>【主权项】
1. 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，其特征在于：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（1)，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（1)，气流换向单元（1)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。2. -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，其特征在 于： 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（1)连接到出气口和排空口，所述气流换向单元（1)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（1)，气流换向单元（1)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（2)的进气口，入口压力控制器（2)的出气口排空；所 述两路进气气流（A、B)间连接压力变送器（3);入口压力控制器（2)用于调节排空气流的 背压，使压力变送器（3)检测的差压值近零，即保证两路进气气流（A、B)的压力状态相同。3. 根据权利要求2所述的一种气氛平稳快速切换系统，其特征在于：所述切换系统内 流道的有效通径为1mm~4mm〇4. 根据权利要求2或3所述的一种气氛平稳快速切换系统，其特征在于：入口压力控 制器（2)根据压力变送器（3)实时反馈的差压值进行负反馈自动调节，使压力变送器（3) 检测的差压值稳定在-lOOPa~lOOPa。5. 根据权利要求2所述的一种气氛平稳快速切换系统，其特征在于：所述气流换向单 元⑴由三个二位三通直动式电磁阀（4、5、6)组成，其中两个电磁阀（4、5)的恒通气口分 别对应连接两路进气气流（A、B)，所述其中两个电磁阀（4、5)的两个切换气口分别与第三 个电磁阀（6)的两个切换气口一一对应连接，所述其中两个电磁阀（4、5)的另外两个切换 气口汇流连接入口压力控制器（2)的进气口，所述第三个电磁阀（6)的恒通气口连接下游 气路。6. 根据权利要求2所述的一种气氛平稳快速切换系统，其特征在于：所述气流换向单 元⑴为一个二位四通直动式电磁阀（7);所述电磁阀（7)的两个进气口分别连接两路进 气气流（A、B);电磁阀（7)的出气口连接下游气路；电磁阀（7)的排气口连接入口压力控制 器⑵的进气口。7. 根据权利要求2所述的一种气氛平稳快速切换系统，其特征在于：所述气流换向单 元⑴为一个二位五通直动式电磁阀⑶；所述电磁阀⑶的两个进气口分别连接两路进 气气流（A、B);所述电磁阀⑶的出气口连接下游气路；所述电磁阀⑶的两个排气口汇流 后连接入口压力控制器（2)的进气口。8. 根据权利要求5、6或7所述的一种气氛平稳快速切换系统，其特征在于： 所述电磁阀的换向阀芯为平衡式提动阀芯； 或所述电磁阀为短行程、快响应电磁阀，所述电磁阀的通电响应时间小于4ms，断电响 应时间小于2ms。9. 根据权利要求2、5、6或7所述的一种气氛平稳快速切换系统，其特征在于：所述切 换系统还包括N个扩展的气流换向单元，1 ;每增加一个扩展的气流换向单元，将其出气 口连接至已安装的气流换向单元的一个进气口。10. -种权利要求2~9中任一权利要求所述的气氛平稳快速切换系统的应用，其特征 在于： 用于切换微型反应器内的气氛，具体为： 将所述切换系统的出气口连接至微型反应器，将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，Z彡2 ; 所述微型反应器各段的流通截面的当量直径D< 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彡1200_、管道内体积V彡100mL;所 述Z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0. 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。11. 根据权利要求10所述的气氛平稳快速切换系统的应用，其特征在于：将所述的一 种气氛平稳快速切换系统用于分析固体颗粒基于气氛切换的多阶段原位反应过程，具体 为： 所述微型反应器各段为圆管且内径为2_~25_ ;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400mm、管道内体积20mL;所述微型 反应器的反应段内含有固态反应物；所述Z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0. 05~5m/s范围； 所述微型反应器连接过程气体分析装置；所述过程气体分析装置的采样管为内径小 于200μm的毛细采样管，过程气体分析装置的检测和记录气体浓度响应的频率高于2HZ; 所述微型反应器的反应段与毛细采样管的采样口之间的流程长度L< 800_、管道内体积 V^ 50mL； 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；微型反应器内的反 应被过程被气氛的切换分成Μ(M多2)个阶段，通过过程气体分析装置检测和记录气体浓度 响应来分析反应器内随气氛切换所发生的反应过程，并计算定量结果；以此实现固体碳基 燃料颗粒基于气氛切换的多阶段原位反应的分析测试。12. 根据权利要求10所述的气氛平稳快速切换系统的应用，其特征在于：将所述的一 种气氛平稳快速切换系统用于定量表征微型反应器内气流的扩散和返混特征，具体为： 所述微型反应器各段的流通截面的当量直径为2_~30_ ;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彡400mm、管道内体积V彡20mL; 所述Z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0. 05~5m/s范 围； 所述微型反应器连接过程气体分析装置；所述过程气体分析装置的采样管为内径小 于200μm的毛细采样管，过程气体分析装置的检测和记录气体浓度响应的频率高于5HZ; 所述微型反应器的反应段与毛细采样管的采样口之间的流程长度L< 800_、管道内体积 V^ 50mL； 所述可编程控制器的开关量输出为晶体管直流24V输出，且输出点通、断电的响应时 间均<lms;设置通入微型反应器内气流的时序为A-B-A，B气流含示踪组分且示踪组分的 体积浓度< 10% ;通过该种气流切换过程获得示踪组分的停留时间分布曲线，即RTD曲线； 然后计算RTD曲线的无因次方差；最后计算微型反应器的Peclet数，即迭代求解下列方程 式中的Pe^ rr式中：名表示示踪组分在微型反应器中的RTD曲线的无因次方差；表示微型反应器 的Peclet数，表征对流传质速率和扩散传质速率的相对大小，即气流组分在微型反应器中 的扩散和返混程度，Peji大表征返混程度越小、气流更近似平推流。 通过上述方法定量表征微型反应器内气流的扩散和返混特征。13.根据权利要求12所述的一种气氛平稳快速切换系统的应用，其特征在于： 采用阶跃法实验获得RTD曲线；当所述微型反应器各段的流通截面的当量直径为 20mm~30mm，且微型反应器的内体积为40mL~70mL时，所述气流切换即A-B-A过程的时间 设置为l〇s~200s;当所述微型反应器各段的流通截面的当量直径为2mm~20mm，且微型 反应器的内体积为10mL~40mL时，所述气流切换即A-B-A过程的时间设置为5s~200s; 或采用脉冲法实验获得RTD曲线；当所述微型反应器各段的流通截面的当量直径为 20mm~30mm，且微型反应器的内体积为40mL~70mL时，所述气流切换即A-B-A过程的时 间设置为200ms~800ms;当所述微型反应器各段的流通截面的当量直径为2mm~20mm，且 微型反应器的内体积为10mL~40mL时，所述气流切换即A-B-A过程的时间设置为80ms~ 400ms〇
【专利摘要】一种气氛平稳快速切换的方法和系统及其应用，可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的气氛，进而影响分析过程的可靠性、重复性和准确性的问题。本发明的气流换向单元快速切换流至下游的进气气流；入口压力控制器和压力变送器联合控制进气气流间的压差近零，使切换过程平稳快速。本发明可实现下游气流的组分浓度以接近理想矩形波的方式进行平稳快速切换。本发明可应用于分析基于气氛切换的固体颗粒多阶段原位反应过程；以及定量表征微型反应器内气流的扩散和返混。
【IPC分类】B01J19/00, G01N27/62, G05B19/04
【公开号】CN105259801
【申请号】CN201510639555
【发明人】孙绍增, 郭洋洲, 严泰森, 赵虹翔, 孟顺, 冯冬冬, 赵义军
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年9月30日