CN108983832A - 一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置与方法，该装置包括可编程控制器（PLC）、高压气体容器、二氧化碳浓度检测器以及压力传感器等。原理是首先由PLC控制向高压气体容器中充入一定量的空气，充气量由气体压力传感器监测并反馈给PLC，然后PLC控制补充一定量的二氧化碳，打开二氧化碳浓度检测器进行浓度检测，浓度信号传递到PLC，当浓度低于设定值时，PLC控制再次补充二氧化碳，然后再检测，反复循环，直到达到设定浓度，气体配制完成。类似地，如需将二氧化碳浓度调低，逐步补充空气，期间反复检测浓度，最后达到特定浓度，实现对二氧化碳浓度的精确调控。
Description
技术领域
本发明属于精确农业、化工以及气体混合技术领域，涉及一种精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置与方法。
背景技术
由于人类活动大幅提高了二氧化碳排放，引起了全球变暖，已成为重大的环境问题。除氮氧化物（NOx）和烷烃（CxHy）外，二氧化碳（CO2）是主要的温室气体，其浓度的增加导致了全球变暖以及由此带来的冰山融化。近年频发的自然灾害与全球气候变暖密切相关,如不加以控制将威胁人类的长期生存和发展。目前用于减少 CO2 排放的途径主要包括:一、提高能源利用效率，通过改进技术，更有效利用能源, 减少能源的使用，进而减少温室气体的排放；二、使用清洁的替代能源，开发低碳和无碳能源技术，如太阳能、风能、核能、水电能、生物能等；三、进行二氧化碳的固存和转化，采用各种物理、化学以及生物方法对CO2进行收集、浓缩、储存、固定和转化【杨忠华, 陈明明, 曾嵘,等. 利用微藻技术减排二氧化碳的研究进展[J]. 现代化工, 2008, 28(8):15-19.】。用物理、化学方法进行CO2的固定也需要能源，而CO2的生物固定是真正的绿色环保的方式，该方法也是地球上最主要和最有效的固碳方式，在碳循环中起主要作用。目前普遍认为，通过植物、光合细菌以及藻类实现二氧化碳的生物固定是最为安全、有效和经济的固碳策略【Masakazu M, Masahiro I. Thebiological CO2 fixation and utilization project by rite( 2) -screening andbreeding of microalgae with high capability in fixing CO2[ J] . EnergyConversManage, 1997, 38: 493-497】。
微藻具有光合速率高、繁殖快、环境适应性强、处理效率高、可调控以及易与其它工程技术集成等优点, 且可建立高效、立体、高密度的培养技术，固碳后产生的藻体具有很好的利用价值，因此具有极高的工业化开发潜力，可结合微藻本身的价值，利用现代生物技术，将其转化为生物柴油等高价值液体燃料，或生产类脂和蛋白质，或作为提取高附加值保健品的原料等。缪晓玲等利用流化床热解反应器对脂类含量高的小球藻( Chllorellaprotothecoides)和微囊藻( Microcystis)进行快速热解, 分别获得了17.5%和23.7%的生物柴油产率【缪晓玲,吴庆余. 利用微藻制备生物质液体燃料[ C] . 2003 年中国太阳能学会学术年会论文集.上海:上海交通大学出版社, 2003: 547-551】。Sawayama 等也证明微藻除了可以固定 CO2外，还能够用于生产生物石油【Sawayama S,Inoue S,Dote Y,etal.CO2 fixation and oil production thorugh microalga[J].Energy ConversManage,1995,36:729-731】。Fan JH等【Fan JH, Xu H, Luo YC, et al. Impacts of CO2concentration on growth, lipid accumulation, and carbon-concentrating-mechanism-related gene expression in oleaginous Chlorella[J]. AppliedMicrobiology and Biotechnology, 2015, 99(5):2451-62】对小球藻的研究表明，通过补充二氧化碳可提高生物量和油脂的积累，但直接通入纯的二氧化碳会抑制小球藻生长甚至杀死小球藻。现有技术中对二氧化碳的使用多是通过控制流量或流速配制不同浓度的二氧化碳【Huang G, Li T, Chen F, et al. High concentration CO2 sequestration byusing microalgae in staged cultivation[J]. Environmental Progress &Sustainable Energy, 2016, 35(6):1862-1867.】，不容易精确控制，影响对实验结果的判断，也会造成CO2的损耗，过高的CO2浓度甚至会给操作人员带来危险。所以，精确地检测和配制特定浓度的二氧化碳是一个极为重要的关键环节。
发明内容
目前二氧化碳的最主要的贮藏及运输方式都是采用高压、高浓度（95%以上）的钢瓶，但在微藻及植物培养过程的有效浓度一般在10%以下。不同藻类、植物在不同的生长阶段最适二氧化碳浓度也有所不同，二氧化碳浓度对使用效果有重要的影响，超过适宜的浓度，一来会产生负效果，二来也会造成浪费，过高的浓度甚至会给操作人员带来危险。本发明的目的是提供一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置与方法，将高浓度二氧化碳与空气混合，精确转化为特定浓度的二氧化碳，应用于科研和实际生产过程。
本发明是采用以下技术方案实现的：
一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，气源为高压空气和高压二氧化碳，PLC接受气体压力传感器、二氧化碳浓度检测器的信号，控制电磁阀的开合。通过PLC设定需要的二氧化碳浓度，打开空气输入电磁阀，空气进入高压气体容器，充气量可达到所需空气的90%左右（根据混气完成时的目标压强和目标浓度确定），关闭空气输入电磁阀，打开二氧化碳输入电磁阀，短时间充入一定量的二氧化碳，然后关闭二氧化碳输入电磁阀，采集二氧化碳浓度信号反馈给PLC，PLC比较设定值和实际值的差异，如实际浓度低于设定值，再次打开二氧化碳输入电磁阀，充气后关闭，再次采集二氧化碳浓度信号，反复上述过程，直至高压气体容器中二氧化碳浓度达到设定要求。如需下调CO2浓度，则补充空气。如改用其它种类的气体和检测器，则可以用于自动配制特定浓度的其它种类的高压气体。
本发明与现有技术相比，可实现二氧化碳浓度的精确调控，该装置自动化程度高、操作安全。
所述的二氧化碳的间歇补充，由PLC控制器（10）控制二氧化碳的单次充气时间与混气时间，如需精度高，可适当增加间歇时间减少单次充气时间，如需精度低，可减少间歇时间并提高单次充气时间，以快速达到设定浓度。
所述的二氧化碳的浓度检测由二氧化碳输入电磁阀（3）、二氧化碳浓度检测器（9）共同作用实现，二氧化碳浓度在间歇时检测，数据反馈给PLC控制器（10）。
所述的气源（空气、高浓度二氧化碳）的压力大于一个大气压，保证两种气体顺利进入高压气体容器。
所述的PLC可根据设定二氧化碳的浓度与实际浓度的差值自动调整气源电磁阀开合的持续时间。
本发明还提供一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的方法，其特征在于，包括使用如权利要求1-8任一项所述的装置，由PLC实时接受压力和二氧化碳浓度信息并控制气源电磁阀的开关，实现对二氧化碳浓度的精确调控。
本发明具有如下有益效果：可实现自动精确配制特定浓度的高压二氧化碳，为二氧化碳应用的科研和生产提供了可靠的保证。
附图说明
图1为本发明装置结构图，其中：1. 高压二氧化碳气源；2.高压空气气源；3.二氧化碳输入电磁阀；4.空气输入电磁阀；5.安全阀；6.高压气体容器；7.气体压力传感器；8.二氧化碳浓度检测器电磁阀；9.二氧化碳浓度检测器；10. PLC控制器。
具体实施方式
以下用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
如图1所示，一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，气源为高压空气和高压二氧化碳，PLC接受气体压力传感器、二氧化碳浓度检测器的信号，控制电磁阀的开闭。通过PLC设定需要的二氧化碳浓度，打开空气输入电磁阀，空气进入高压气体容器，充气量可达到所需空气的90%左右，关闭空气输入电磁阀，打开二氧化碳输入电磁阀，短时间充入一定量的二氧化碳，关闭二氧化碳输入电磁阀，采集二氧化碳浓度信号反馈给PLC，PLC比较设定值和实际值的差异，如实际浓度低于设定值，再次打开二氧化碳输入电磁阀，充气后关闭，再次采集二氧化碳浓度信号，反复上述过程，直至高压气体容器中二氧化碳浓度达到设定要求。如需下调CO2浓度，则补充空气。如改用其它种类的气体和检测器，则可以用于自动配制特定浓度的其它种类的高压气体。
实施例1：
本实施例提供了一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，其中各元件的指标参数为：可编程控制器为PLCS7-200型加6V6648-0311型触摸屏；二氧化碳浓度检测器检测范围为0-10%，工作湿度为0-95%RH，工作压力为1±0.2个大气压，测量流速300ml-500mL/min；记泡器大小为7*5*2cm；高压气体容器为一承压能力为1.0MPa的40L铝合金储气罐，带1.0MPa压力表；减压阀为空气型调压阀，最大使用压力为1.0MPa，调压范围为0.05-0.85MPa；电磁阀为气动电磁阀，最大承压1.0MPa，工作电压为DC24V，常闭型。
实施例2：
利用实施例1描述的装置，本实施例提供了一个配制特定浓度的高压二氧化碳的方法。通过PLC控制设置混气目标浓度为6%，输入空气为0.4MPa，单次补充CO2的时间为2秒，设置的间歇时间为60秒，CO2检测器的稳定时间为30秒。启动***后，经过40秒显示承压罐内气压达到0.4 MPa；空气输入电磁阀关闭，二氧化碳输入电磁阀打开补充CO2，2秒后停止通入CO2，混气60秒后开始检测，30秒后显示浓度稳定在0.78%。再次补充CO2，第二个循环后显示为1.44%；再次补充CO2，第三个循环后显示为2.11%；再次补充CO2，第四个循环后显示为2.70%；再次补充CO2，第五个循环后显示为3.37%；再次补充CO2，第六个循环后显示为4.01%；再次补充CO2，第七个循环后显示为4.72%；再次补充CO2，第八个循环后显示为5.41%；再次补充CO2，第九个循环后显示为6.11%，达到设定浓度，混气结束，实现了预期目标。
Claims (9)
1.一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，其特征在于本装置由可编程控制器（PLC）（10）；二氧化碳浓度检测器（9）；二氧化碳浓度检测器电磁阀（8）；气体压力传感器（7）；高压气体容器（6）；安全阀（5）；空气输入电磁阀（4）；二氧化碳输入电磁阀（3）；高压空气气源（2）；高浓度高压二氧化碳气源（1）以及连接管路等组成。
2.根据权利要求1中所述的一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，其特征在于由PLC（10）接受气体压力传感器（7）的信号。
3.根据权利要求1中所述的一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，其特征在于PLC（10）控制补充二氧化碳和检测二氧化碳浓度交替进行。
4.根据权利要求1中所述的一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，其特征在于PLC（10）可以独立控制每个电磁阀的开闭。
5.根据权利要求1中所述的一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，其特征在于气源（空气、高浓度二氧化碳）的压力大于一个大气压。
6.根据权利要求1中所述的一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，其特征为可通过PLC调整二氧化碳电磁阀单次开合时间。
7.根据权利要求1中所述的一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，其特征为所用气体为二氧化碳，检测器也为二氧化碳浓度检测器，如果换用其它种类的气源和气体检测器，也可以用于配制特定浓度的其它气体。
8.根据权利要求1中所述的一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的装置，类似地，如果需要将二氧化碳浓度调低，可以逐步补充空气，期间反复检测浓度，最后达到特定的二氧化碳浓度。
9.一种自动精确配制特定浓度高压二氧化碳的方法，其特征在于，包括使用如权利要求1-8任一项所述的装置，由PLC实时接受压力和二氧化碳浓度信息并控制气源电磁阀的开关，实现对二氧化碳浓度的精确调控。
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