一种气氛平稳快速切换的方法和系统及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种气流成分切换方法和系统及其应用，具体涉及一种气氛平稳快速 切换方法和系统及其应用，属于流体控制技术及化学分析技术领域。
【背景技术】
[0002] 仪器系统、化学反应分析装置和高温反应实验装置中经常涉及气氛（气体的组分 和浓度）快速变换或者容器管道残余气体的置换。现有技术常使用单一或者简单组合的 手、自动换向阀实现气流的换向，进而变换气氛或者置换容器管道的残余气体。这些常规手 段无法同时满足气氛置换迅速is)、完全（残余量<浓度切换量的1%。）、波动小（压 力波动< 1%。，温度波动2°C )的性能要求，进而无法满足多阶段气固快速反应分析对气氛 置换的要求。通常情况，制约气体完全置换速度的主要因素是容器管道的结构和操作条件； 但对于近似平推流的微型容器管道，换向阀系统的性能将显著影响气体置换的速度和平稳 性，以及系统的压力和温度的稳定性。
[0003] 中国专利申请号为CN201510175580. 2、公开号为CN104749206A、公开日为2015年 7月1日、优先权日为2014年4月14日的发明专利申请公开了《一种基于原位解耦的气固 反应分析装置及分析方法》；该发明利用气氛瞬时变换和温度快速调节实现多阶段反应的 原位解耦分析，可得到气固反应从开始发生至反应结束全过程的气体释放序列，进而解析 反应过程；该发明适用于众多具有多阶段反应特征的气固反应过程分析；是此领域最新的 原创性发明。但对于反应速度较快、反应时间小于20s或者反应初期过程较重要的反应，现 有气氛切换技术的性能将显著影响反应气体组分的浓度和系统压力稳定性，从而显著影响 初期反应过程（转化率0~30%)，进而影响分析方法和过程的可靠性。因此常规切换手 段无法保证分析过程的可靠性、重复性和准确性。
[0004] 例如，颗粒粒径小于100 μ m的碳基固体燃料在高于700°C条件燃烧的反应时间通 常短于60s，且反应开始至燃烧速率达到最快的时间通常是1~3s ;采用气氛切换启动颗粒 燃烧时就需要以最快Is)、最平稳（压力、温度等状态无波动）的方式将气氛切换为燃 烧气氛，保证燃烧是在确定的、已知的和可控的条件下进行。
[0005] 中国专利申请号为CN201410148319. 9、公开号为CN103908928A、公开日为2014年 7月8日的发明专利申请公开了《一种基于气氛切换的解耦反应器》；该发明使得反应器近 似平推流，利于反应器内气氛快速切换，从而利于实现多阶段反应的原位解耦分析。前述两 项技术相结合的应用实践表明，应用所述领域的常规连接，即使采用优选的响应时间小于 10ms、阀体有效通径小于2mm的微型电磁阀，反应器尾部气氛切换过程气体组分浓度的上 升时间（τ。 99)仍大于3. 5s ;该时间显然不满足气氛切换启动多阶段反应分析的要求，不能 保证结果的可靠性、重复性和准确性。
[0006] 化学反应分析装置内气氛快速、完全置换，或者分析固体碳基燃料燃烧等具有多 阶段反应特征且反应速度较快的反应过程，需要实现气体浓度上升沿和浓度下降沿接近理 想的矩形浓度峰，进而为每一反应阶段提供可靠、稳定的反应气氛。因此，需要开发高性能 气氛平稳快速切换系统，其对多阶段反应原位解耦分析技术的发展至关重要。
[0007] 另外，停留时间分布曲线，即RTD曲线，可表征实际化学反应器内流体的混合 特性，可用于建立数学模型描述反应器内的流动和反应状况，是反应器及其操作使用的 重要依据；因此，获得RTD曲线是化学反应器的重要工作。常用脉冲法和阶跃法将示 踪剂注入反应器内，检测反应器出口处示踪剂浓度随时间的变化来获得RTD曲线。目 前脉冲法常通过压力（注射器或脉冲压缩气）使微量气体进入反应器（例如：化工学 报，2013, 64(3) :867-876)。对于微型反应器，这种方法中示踪剂的压力和初始流速将导致 原有流场发生较大波动且重复性很难保证，需多次实验求平均（一般20次以上），这种方法 在应用到PA多30的情况很可能导致测试结果不准确可靠，且操作繁琐，实验和数据处理 耗时长。阶跃法（例如：Combustion and Flame, 2011，158:1638-1645)是另一种停留时间 分布特性的研究方法。阶跃法使用电磁阀或六通阀实现气流浓度的阶跃，但目前国内外文 献公开的阶跃法所采用的气体切换技术无法应对近似平推流（例如Pe 1^多30)的系统。因 此，微型反应器的停留时间分布曲线需要开发更加高性能的气体浓度脉冲发生器或者气流 切换系统。
【发明内容】
[0008] 本发明的发明人针对【背景技术】中所列问题进行了系统且深入的研究。经过实验检 测和分析，发明人发现不同情况下气氛切换系统出口实际的气体浓度上升不够迅速、切换 后浓度彻底稳定的时间较长，其原因主要是以下四方面中的至少一种：一是待切换状态的 多路气流流量相差过大（如两倍以上），这会引起较切换过程管道各点流量和压力重新进 行分布产生波动，进而引起切换过程不平稳；二是通入反应器的气流压头明显高于或者低 于排空气流的压头，导致切换过程系统内气体压力和流量震荡进而发生波动和缓慢稳定； 三是换向阀组合方式不优，使用了三通或者多通接头来连接管路，使得管道存在明显的死 区体积，新气流无法完全吹扫管路致使死区体积内气体缓慢扩散；从而导致浓度彻底稳定 需要的时间加长；四是阀体和管道内流通截面积突变点过多，或者管路的流通截面积和管 道的流通截面积相差过大，导致出现漩涡或者死区体积从而发生返混和扩散，导致浓度完 全稳定需要的时间加长。
[0009] 基于上述研究，本发明为解决现有换向阀系统不能平稳快速完全地置换微型反应 器内气氛，进而影响分析过程的可靠性、重复性和准确性的问题，进而提出一种气氛平稳快 速切换的方法和系统及其应用。
[0010] 本发明为解决上述问题提供了一种气氛平稳快速切换的方法，所述方法是基于两 路进气气流A、B、一路出气气流和至少一个电磁阀来实现的，两路进气气流A、B通过简单 管路和由一个及以上的二位直动式电磁阀组成的气流换向单元，连接到出气气流和排空气 流；两路进气气流A、B连续稳定地流进气流换向单元，气流换向单元切换两路进气气流A、 B，按时序设置分别形成出气气流和排空气流，实现气流快速切换；使用压力变送器检测两 路进气气流A、B的压力状态，使用入口压力控制器调节排空气流的背压，使两路进气气流 A、B的压力状态相同，使得在气流切换过程中，两路进气气流A、B的压力和流量稳定；进而 实现出气气流的气氛平稳快速切换。
[0011] 本发明为解决上述问题还提供了一种气氛平稳快速切换系统，所述切换系统包括 两个进气口、一个出气口，两个进气口分别连接两路进气气流A、B，两路进气气流A、B通过 简单管路和气流换向单元连接到出气口和排空口，所述气流换向单元包括至少一个二位直 动式电磁阀，所述出气口连接下游气路；两路进气气流A、B连续稳定地流进气流换向单元， 气流换向单元切换两路进气气流A、B，使两路进气气流A、B按时序设置分别流向出气口和 排空口，实现下游气氛的切换，所述气流换向单元（1)内紧邻出气口的"Y"型流道的中心设 置有二位直动式电磁阀的换向阀芯；所述排空口连接入口压力控制器的进气口，入口压力 控制器的出气口排空；所述两路进气气流A、B间连接压力变送器；入口压力控制器用于调 节排空气流的背压，使压力变送器检测的差压值近零，即保证两路进气气流的压力状态相 同。
[0012] 应用本发明的气氛平稳快速切换系统平稳、快速、完全切换微型反应器内的气氛， 具体地：将本发明的气氛平稳快速切换系统的出气口连接至微型反应器；将气氛平稳快速 切换系统的电磁阀电源线连接至可编程控制器的开关量输出接口；可编程控制器与计算机 通过通讯电缆通讯；根据气氛切换的需要在计算机中设置好电磁阀通、断电时序；设置好 微型反应器，以及流入气氛平稳快速切换系统的Z(Z多2)路气流的状态；然后触发电磁阀 通、断电程序完成气氛切换过程；所述微型反应器各段的流通截面当量直径40_ ;所述 气氛平稳快速切换系统的出气口和所述微型反应器的反应段之间的流程长度L < 1200_、 管道内体积V < IOOmL ;所述Z (Z多2)路气流流量设置为使得所述微型反应器各段的气流 表观速度值位于〇. 05~20m/s范围；通过上述技术方法完成微型反应器内气氛的平稳、快 速、完全切换。
[0013] 本发明与现有技术相比较，最为突出的特点和显著的有益效果是：采用二位直动 式电磁阀使得变换气氛的机构执行时间短于IOms ;本发明的气氛切换单元可实现流量平 稳的两路进气气流按时序交替流入下游气路或排空；气流换向单元（1)内紧邻出气口的 "Y"型流道的中心设置有二位直动式电磁阀的换向阀芯，这种管道的连接方式避免了管道 旁路的存在，进而避免了死体积，最大程度地保证了切换动作执行前和执行后，管道内的气 体流动为活塞流，使气体置换快速、彻底；采用入口压力控制器使预切换气流间的压差近 零，从而切换瞬间，压力、流量等气流状态参数的扰动极小，使得切换后气氛迅速稳定至目 标状态；综上效果，本发明能较好地用于气氛的平稳快速切换，可以实现下游气氛的组分浓 度以接近理想的矩形波方式进行切换；进而为仪器系统或高端科学装置提供最佳的气氛切 换技术方案。应用方法，本发明的系统可以解决微型反应器内气氛平稳快速切换的问题，进