CN118079802A - 一种液面高度可调的气液反应装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种液面高度可调的气液反应装置和方法，该液面高度可调的气液反应装置包括气液反应腔、外套腔、气体系统、检测组件和工控机，气液反应腔置于外套腔内，包括可连通的气液反应区和液体存储区，气体系统包括第一气源、泄气管和气体阀门，检测组件包括第一检测件、第二检测件和连接管，连接管连接第一检测件，外套腔连接第二检测件，本发明气液反应区液面高度变化会引起连接管内气压变化，工控机依据检测组件得出气液反应区当前的液面高度，若当前的液面高度低于或高于设定值，工控机可以发送信号控制第一气源和气体阀门，确保气液反应区液面高度恒定，解决了现有技术的气液反应装置液面高度忽高忽低导致的反应速率不稳定的问题。

Description

一种液面高度可调的气液反应装置和方法

技术领域

本发明涉及气液反应技术领域，尤其涉及一种液面高度可调的气液反应装置和方法。

背景技术

气液相反应过程(gas-l iqu id react ion process)是反应物存在气相和液相的一种多相反应过程，通常是在一定条件下，让气相物质与液相物质接触，在液相物质表面发生反应，得到新的气液反应产物。

现有技术的气相物质和液相物质反应一般需要在密闭的气液反应装置中进行，初始状态时液体多，气液反应速率快而且产物多，然而随着反应进行，液体的消耗导致反应装置中液面高度会不断降低，气体流动空间体积和液面面积发生变化，导致反应速率时高时低，十分不稳定，因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种液面高度可调的气液反应装置和方法，以解决现有技术的气液反应装置液面高度忽高忽低所导致的气液反应速率不稳定的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种液面高度可调的气液反应装置，其包括气液反应腔、气体系统、外套腔、检测组件和工控机；

所述气液反应腔包括隔板，所述隔板将所述气液反应腔分成液体存储区和气液反应区，所述气液反应区和液体存储区相连通，所述液体存储区用于存储液体，所述气液反应区设有出气口；

所述气体系统包括第一气源、第二气源和第三气源，所述第一气源包括相互连通的驱动气管和泄气管，所述驱动气管连通所述液体存储区，所述泄气管上安装有气体阀门；所述第二气源连接所述气液反应区，所述第三气源连接所述外套腔，所述气液反应区产生的第一气体通过所述出气口与第三气源的气体在所述外套腔内反应以生成所述第二气体；

所述检测组件包括第一检测件、第二检测件和连接管，所述连接管的第一端伸入所述气液反应区，所述连接管的第二端连接所述第一检测件，所述第一检测件实时检测所述连接管内的气压，所述第二检测件实时检测所述外套腔的气压；

所述检测组件、第一气源和气体阀门均连接所述工控机，所述工控机依据所述检测组件控制所述第一气源和所述气体阀门的开闭状态，以调节所述气液反应区的液面高度。

较佳地，所述气液反应腔还包括前壁、后壁、顶壁、底壁和侧壁，所述隔板连接所述前壁、所述侧壁和所述后壁，并设有开口，所述开口连接有输液管，所述输液管伸入所述液体存储区，所述底壁设有倾斜面。

较佳地，所述液面高度可调的气液反应装置还包括真空泵，所述真空泵用于对所述外套腔和所述气液反应腔进行抽真空作业。

较佳地，所述液面高度可调的气液反应装置还包括气体流量计，所述气体流量计连接所述第一气源，用于控制所述第一气源的供气量。

较佳地，所述气体系统还包括第四气源，所述第四气源与所述外套腔连接，用于与所述第二气体反应。

较佳地，所述外套腔连接有气体处理装置，所述气体处理装置用于收集并处理第一气体、第二气体或第四气源与第二气体的反应产物中的一者。

一种液面高度可调的气液反应方法，适用于所述的液面高度可调的气液反应装置，其包括：

S1、将液体置于所述气液反应腔的液体存储区；

S2、对所述气液反应腔和所述外套腔进行抽真空作业；

S3、工控机依据当前液面高度调节所述第一气源及所述气体阀门的开闭状态，使得液面高度达到设定值；

S4、开启第二气源、第三气源和第四气源，所述第二气源的气体与气液反应区的液体生成第一气体，所述第三气源的气体与所述第一气体生成所述第二气体，所述第四气源的气体与所述第二气体反应得到最终产物。

具体的，对所述气液反应腔和所述外套腔进行抽真空作业，具体包括：

S21、先打开所述气体阀门，再启动真空泵，以进行抽真空作业；

S22、待所述第二检测件气压小于第一设定气压时，停止抽真空；

S23、打开所述第三气源向液体存储区内通入气体，使第二检测件气压达到第二设定气压，关闭所述气体阀门与第三气源。

具体的，所述工控机依据当前液面高度调节所述第一气源及所述气体阀门的开闭状态，具体包括：

S31、获取第一参数，所述第一参数包括连接管内的气压P1和外套腔的气压P2；

S32、获取第二参数，所述第二参数包括连接管的总长度L、连接管的第一端距离所述隔板上表面的高度H1、液体密度ρ和重力加速度g；

S33、依据第一参数和第二参数计算所述连接管中的液面相对于隔板上表面高度H2；

S34、依据第一参数、第二参数和连接管中的液面相对于隔板上表面高度H2得出所述气液反应区的当前液面高度H；

S35、若当前液面高度H高于预设高度，所述工控机发送第一信号，所述第一气源关闭，所述气体阀门打开；

S36、若当前液面高度H低于预设高度，所述工控机发送第二信号，所述气体阀门关闭，所述第一气源启动，通过与第一气源连接的气体流量计控制所述第一气源的供气量。

具体的，所述依据第一参数和第二参数计算所述连接管中的液面相对于隔板上表面高度H2，具体包括：

S331、H2＝(1-P2/P1)·L+H1；

依据第一参数、第二参数和连接管中的液面相对于隔板上表面高度H2得出所述气液反应区的当前液面高度H，具体包括：

S341、H＝(P1-P2)/(ρ·g)+H2。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明提供的一种液面高度可调的气液反应装置，将气液反应腔分为上下两部分，通过驱动气体将下部液体输送到上部空间，实现上部空间液面高度精准调控；

2.本发明提供的一种液面高度可调的气液反应装置，气液反应腔有上下两部分，少量液体也可实现较大的液面高度，可根据需要添加液体量，避免过多导致浪费；也可将大量液体注入液体存储区，不断为气液反应区提供液体，实现长时间稳定生产；

3.本发明提供的一种液面高度可调的气液反应装置，除可进行常规气液反应，还可应用于高温、高压、腐蚀性气液体的反应，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明的液面高度可调的气液反应装置的结构示意图。

图示说明：

10、气液反应腔；101、液体存储区；102、气液反应区；103、前壁；104、后壁；105、顶壁；106、底壁；107、出气口；108、隔板；109、输液管；

20、外套腔；201、第一气源；202、第二气源；203、第三气源；204、第四气源；205、气体处理装置；206、连接管；207、第一检测件；208、第二检测件；209、驱动气管；210、泄气管；211、气体阀门；212、气体流量计；213、真空泵。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1，本发明设计了一种液面高度可调的气液反应装置，其包括气液反应腔10、气体系统、外套腔20、检测组件、气体阀门211和工控机；

气液反应腔10包括隔板108，隔板108将气液反应腔10分成液体存储区101和气液反应区102，气液反应区102和液体存储区101相连通，液体存储区101用于存储液体，气液反应区102设有出气口107；

气体系统包括第一气源201、第二气源202和第三气源203，液体存储区101连通第一气源201，气液反应区102连接第二气源202，外套腔20连通第三气源203和出气口107，气液反应区102产生的第一气体通过出气口107与第三气源203的气体在外套腔20内反应以生成第二气体；

检测组件包括第一检测件207、第二检测件208和连接管206，连接管206的第一端伸入气液反应区102，连接管206的第二端连接第一检测件207，第一检测件207实时检测连接管206内的气压，第二检测件208实时检测外套腔20的气压，第一气源201包括相互连通的驱动气管209和泄气管210，驱动气管209连通液体存储区101，气体阀门211连接泄气管210，检测组件、第一气源201和气体阀门211均连接工控机，工控机依据检测组件控制第一气源201及气体阀门211的开闭状态，以调节气液反应区102的液面高度。

需要说明的是，本发明的液体为液态金属镓，第一气源201输出的气体为氮气，第二气源202和第三气源203输出的气体为氯气，氯气与液态金属镓反应后会生成氯化镓气体，氯化镓气体与氯气反应会生成三氯化镓气体。

当然，需要说明的是，在实际应用中，人们可以根据实际情况调节第一气源201、第二气源202、液体和第三气源203，本发明对此不做限定。

具体地，气液反应腔10还包括前壁103、后壁104、顶壁105、底壁106和侧壁，隔板108连接前壁103、侧壁和后壁104，并设有开口，开口连接有输液管109，输液管109伸入液体存储区101，底壁106设有倾斜面。

本发明的底壁106从四周向输液管109下方倾斜，输液管109下方的高度最低，给液体存储区101的液体顺利地进入输液管109带来了便利，也确保了液体存储区101的液体不会残留太多，可以得到充分利用，第二气源202连接前壁103，出气口107连接顶壁105，此时，第二气源202输出的气体在气液反应区102内滞流时间长，气液反应充分。

具体地，液面高度可调的气液反应装置还包括气体流量计212，气体流量计212与第一气源201连接，若当前的液面高度低于预设高度，工控机可以计算所需要通入的气体量并发送信号，第一气源201启动，气体阀门211关闭，气体流量计212能控制第一气源201通入液体存储区101的气体量与所需要通入的气体量一致，确保当前的液面高度与预设高度一致。

具体地，液面高度可调的气液反应装置还包括真空泵213，真空泵213用于对外套腔20和气液反应腔10进行抽真空作业。

本发明的气液反应腔10置于外套腔20内，真空泵213连接外套腔20，抽真空前，先将液体置于液体存储区101，然后打开气体阀门211并启动真空泵213。气体阀门211打开后，液体存储区101、气液反应区102和外套腔20的气压一致，避免因压差导致液体大量进入气液反应区102后从出气口107流到外套腔20的问题。真空泵213可以对气液反应腔10和外套腔20进行抽真空作业，当抽真空作业完成后，关闭真空泵213，其解决气液反应腔10和外套腔20中残留的空气或杂质气体影响气液反应及后续反应问题。

具体地，外套腔20通有第四气源204，第四气源204为氨气，其可以和第二气体反应生成氮化镓和氯化氢，外套腔20连接有气体处理装置205，当仅通入第二气源202，气体处理装置205此时可以起到收集并处理第一气体的作用，再通入第三气源203，气体处理装置205此时可以起到收集并处理第二气体的作用，当第四气源204通入，气体处理装置205可以收集并处理第四气源204和第二气体反应产生的产物

具体地，第一气源201、第二气源202、第三气源203和第四气源204均连接有加压泵，外套腔20外部设有加热装置，为气液反应及后续反应提供所需的高温高压环境。

具体地，本发明还设计了一种液面高度可调的气液反应方法，适用于液面高度可调的气液反应装置，其包括：

S1、将液体置于气液反应腔10的液体存储区101；

S2、对气液反应腔10和外套腔20进行抽真空作业；

S3、工控机依据当前液面高度调节第一气源201及气体阀门211的开闭状态，使得液面高度达到设定值；

S4、开启第二气源202、第三气源203和第四气源204，第二气源202的气体与气液反应区102的液体生成第一气体，第三气源203的气体与第一气体生成所述第二气体，第四气源204的气体与第二气体反应得到最终产物。

具体地，对所述气液反应腔10和所述外套腔20进行抽真空作业，具体包括：

S21、先打开气体阀门211，再启动真空泵213，以进行抽真空作业；

S22、待第二检测件208气压小于第一设定气压时，停止抽真空；

S23、打开第三气源203向液体存储区101内通入气体，使第二检测件208气压达到第二设定气压，关闭气体阀门211与第三气源203。

优选地，第一设定气压为小于1pa，气压越小腔体内残留的空气等杂质气体越少，对气液反应的影响越小。

本发明的第一设定气压为0.5Pa，第二设定气压为50Pa,气体阀门211打开时，液体存储区101连通外套腔20，此时进行抽真空作业，避免了液体进入外套腔20,当然，需要说明的是，第一设定气压和第二设定气压的参数可以自行设定，本发明对此不做限定。

具体地，工控机依据当前液面高度调节第一气源201及气体阀门211的开闭状态，具体包括：

S31、获取第一参数，第一参数包括连接管206内的气压P1和外套腔20的气压P2；

S32、获取第二参数，第二参数包括连接管206的总长度L、连接管206的第一端距离隔板108上表面的高度H1、液体密度ρ和重力加速度g；

S33、依据第一参数和第二参数计算连接管206中的液面相对于隔板108上表面高度H2；

S34、依据第一参数、第二参数和连接管206中的液面相对于隔板108上表面高度H2得出气液反应区102的当前液面高度H；

S35、若当前液面高度H高于预设高度，工控机发送第一信号，第一气源201关闭，气体阀门211打开；

S36、若当前液面高度H低于预设高度，工控机发送第二信号，气体阀门211关闭，第一气源201启动，通过与第一气源201连接的气体流量计212控制第一气源201的供气量。

优选地，气体流量计212以最小单位流量通过脉冲流输送气体，避免因气体流量大导致液面高度变化过大影响气液反应进程。

具体地，依据第一参数和第二参数计算连接管206中的液面相对于隔板108上表面高度H2，具体包括：

S331、H2＝(1-P2/P1)·L+H1；

依据第一参数、第二参数和连接管206中的液面相对于隔板108上表面高度H2得出气液反应区102的当前液面高度H，具体包括：

S341、H＝(P1-P2)/(ρ·g)+H2。

本发明的工控机获取到第一参数和第二参数后，先计算连接管206中的液面相对于隔板108上表面高度H2，然后依据第一参数、第二参数和连接管206中的液面相对于隔板108上表面高度H2得出气液反应区102的当前液面高度H，若当前的液面高度低于预设高度，工控机可以发送第二信号，第一气源201启动，气体阀门211关闭，第一气源201通过驱动气管209进入液体存储区101，并推动液体往气液反应区102方向运动，若当前的液面高度高于预设高度，第一气源201关闭，气体阀门211启动，液体存储区101的气体通过泄气管210排出，液体存储区101的气压降低，气液反应区102的液体朝液体存储区101方向运动，确保了气液反应区102的液面高度恒定，解决了现有技术的气液反应装置的液面高度忽高忽低所导致的气液反应速率不稳定的技术问题。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种液面高度可调的气液反应装置，其特征在于：包括气液反应腔、气体系统、外套腔、检测组件和工控机；

所述气液反应腔包括隔板，所述隔板将所述气液反应腔分成液体存储区和气液反应区，所述气液反应区和液体存储区相连通，所述液体存储区用于存储液体，所述气液反应区设有出气口；

所述气体系统包括第一气源、第二气源和第三气源，所述第一气源包括相互连通的驱动气管和泄气管，所述驱动气管连通所述液体存储区，所述泄气管上安装有气体阀门；所述第二气源连接所述气液反应区，所述第三气源连接所述外套腔，所述气液反应区产生的第一气体通过所述出气口与第三气源的气体在所述外套腔内反应以生成所述第二气体；

所述检测组件包括第一检测件、第二检测件和连接管，所述连接管的第一端伸入所述气液反应区，所述连接管的第二端连接所述第一检测件，所述第一检测件实时检测所述连接管内的气压，所述第二检测件实时检测所述外套腔的气压；

所述检测组件、第一气源和气体阀门均连接所述工控机，所述工控机依据所述检测组件控制所述第一气源和所述气体阀门的开闭状态，以调节所述气液反应区的液面高度。

2.根据权利要求1所述的液面高度可调的气液反应装置，其特征在于：所述气液反应腔还包括前壁、后壁、顶壁、底壁和侧壁，所述隔板连接所述前壁、所述侧壁和所述后壁，并设有开口，所述开口连接有输液管，所述输液管伸入所述液体存储区，所述底壁设有倾斜面。

3.根据权利要求1所述的液面高度可调的气液反应装置，其特征在于：还包括真空泵，所述真空泵用于对所述外套腔和所述气液反应腔进行抽真空作业。

4.根据权利要求1所述的液面高度可调的气液反应装置，其特征在于：还包括气体流量计，所述气体流量计连接所述第一气源，用于控制所述第一气源的供气量。

5.根据权利要求1所述的液面高度可调的气液反应装置，其特征在于：所述气体系统还包括第四气源，所述第四气源与所述外套腔连接，用于与所述第二气体反应。

6.根据权利要求5所述的液面高度可调的气液反应装置，其特征在于：所述外套腔连接有气体处理装置，所述气体处理装置用于收集并处理第一气体、第二气体或第四气源与第二气体的反应产物中的一者。

7.一种液面高度可调的气液反应方法，适用于如权利要求1-6任一项所述的液面高度可调的气液反应装置，其特征在于，包括：

将液体置于所述气液反应腔的液体存储区；

对所述气液反应腔和所述外套腔进行抽真空作业；

工控机依据当前液面高度调节所述第一气源及所述气体阀门的开闭状态，使得液面高度达到设定值；

开启第二气源、第三气源和第四气源，所述第二气源的气体与气液反应区的液体生成第一气体，所述第三气源的气体与所述第一气体生成所述第二气体，所述第四气源的气体与所述第二气体反应得到最终产物。

8.根据权利要求7所述的液面高度可调的气液反应方法，其特征在于，对所述气液反应腔和所述外套腔进行抽真空作业，具体包括：

先打开所述气体阀门，再启动真空泵，以进行抽真空作业；

待所述第二检测件气压小于第一设定气压时，停止抽真空；

打开所述第三气源向液体存储区内通入气体，使第二检测件气压达到第二设定气压，关闭所述气体阀门与第三气源。

9.根据权利要求7所述的液面高度可调的气液反应方法，其特征在于：所述工控机依据当前液面高度调节所述第一气源及所述气体阀门的开闭状态，具体包括：

获取第一参数，所述第一参数包括连接管内的气压P1和外套腔的气压P2；

获取第二参数，所述第二参数包括连接管的总长度L、连接管的第一端距离所述隔板上表面的高度H1、液体密度ρ和重力加速度g；

依据第一参数和第二参数计算所述连接管中的液面相对于隔板上表面高度H2；

依据第一参数、第二参数和连接管中的液面相对于隔板上表面高度H2得出所述气液反应区的当前液面高度H；

若当前液面高度H高于预设高度，所述工控机发送第一信号，所述第一气源关闭，所述气体阀门打开；

若当前液面高度H低于预设高度，所述工控机发送第二信号，所述气体阀门关闭，所述第一气源启动，通过与第一气源连接的气体流量计控制所述第一气源的供气量。

10.根据权利要求9所述的液面高度可调的气液反应方法，其特征在于：所述依据第一参数和第二参数计算所述连接管中的液面相对于隔板上表面高度H2，具体包括：

H2＝(1-P2/P1)·L+H1；

依据第一参数、第二参数和连接管中的液面相对于隔板上表面高度H2得出所述气液反应区的当前液面高度H，具体包括：

H＝(P1-P2)/(ρ·g)+H2。