一种气调库用制氮机及其用于制取氮气的方法与流程

本发明属于果蔬气调保鲜设备技术领域，具体涉及一种气调库用制氮机及其用于制取氮气的方法。

背景技术：

目前气调库使用较多的制氮机是一种在常温下进行氮氧分离的膜制氮系统。它由空压机和膜分离器组成。压缩空气经过过滤器进入膜分离器后，空气中的水蒸气、CO₂及O₂快速透过膜壁进入膜的另一侧被富集排空；氮气透过膜壁的相对速率慢而留在膜中，富集后的氮气被作为产品气送往气调库内。

膜制氮机采取的是开启式取气，气体出口为高压，且气源温度有加热的需要，因此从加热气体到冷却气体至库内水果所需温度，整个过程不仅浪费能耗，还会造成气调库内温度的波动，刺激果蔬呼吸，不利于保鲜。而当制氮纯度高于95％时，膜制氮机效率会越来越低，流量变得很小，因此在纯度和流量都需兼顾的情况下，膜制氮机的降氧效果也会有一定的局限性。另外，膜制氮系统中最重要的部件—膜组件，由于怕污染，对前期净化过滤有严格的要求，直接关系到膜组的寿命。如果过滤净化出了问题，就需要更换膜组，维护成本相对较高。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种气调库用制氮机及其用于制取氮气的方法，该设备解决制氮机制制氮浓度低、流量小的问题；气调库降氧速度快，制氮机能耗低。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种气调库用制氮机，包括

活性炭罐A1和活性炭罐A2，活性炭罐A1和活性炭罐A2均具有进气口和排气口，活性炭罐A1和活性炭罐A2内均填装有活性炭CMS-F；

库气排气总管，其一端通过进气管道与压力泵的入口相连，压力泵的出口端通过管道分别与活性炭罐A1的进气口、活性炭罐A2的进气口相连通，压力泵的出口端与活性炭罐A1的进气口之间的管道上设有两位三通阀K5，压力泵的出口端与活性炭罐A1的进气口之间的管道上设两位三通阀K4；

再生管路，活性炭罐A1的进气口上通过两位三通阀K3与真空泵的入口段相连通，活性炭罐A2的进气口上通过两位三通阀K4与真空泵的入口段相连通；

库气进气总管，其进口端主管路上设有手动调节阀H1，进口端主管路上的进气端设有两条分支管路，一条分支管路通过两位三通阀K1与容器A1的排气口相连通；另一条分支管路通过两位三通阀K2与容器A2的排气口相连通。

根据上述的气调库用制氮机，所述进气管道上引出一条与大气相通的大气管道，大气管道上设有手动调节阀H2。

根据上述的气调库用制氮机，所述活性炭罐A1的排气口端上设有压力表P1，活性炭罐A2的排气口端上设有压力表P2。

根据上述的气调库用制氮机，所述库气进气总管上设有流量计F1，库气排气总管上设有流量计F2。

一种气调库用制氮机用于制取氮气的方法，包括以下步骤：气调库内的空气通过管道连接到制氮机的进气口和出气口；空气受压力泵作用被输入活性炭罐A1或活性炭罐A2中，通过活性炭罐A1或活性炭罐A2内部的循环，氧气被CSM-F活性炭吸附，制取的氮气被输入气调库内。

根据上述的气调库用制氮机用于制取氮气的方法，所述活性炭罐A1或活性炭罐A2的吸附与解吸步骤如下：

当活性炭罐A1吸附的同时活性炭罐A2发生解吸，两位三通阀K1，K4和K5打开，两位三通阀K2，K3和K6关闭，活性炭罐A1内生成氮气，活性炭罐A2内CMS-F活性炭完成再生过程；

当活性炭罐A2吸附的同时活性炭罐A1发生解吸，两位三通阀阀门K2，K3和K6打开，两位三通阀K1，K4和K5关闭，活性炭罐A2内生成氮气，活性炭罐A1内CMS-F活性炭完成再生过程。

气调库用制氮机主要原理：

本发明气调库用制氮机产生氮气主要是通过对空气中两种主要的气体：氮气和氧气进行分离。空气的分离采用了一种专用的活性炭，这种活性炭被称之为CMS-F。CSM-F碳具有独特的网状结构,对空气中的氧具有极强的吸附作用。因为氧分子结构相对于氮分子较小，更容易被CMS-F碳网状结构截流在其内表面，这一过程称为吸附。CSM-F碳的特性使得低压下即能进行O₂的吸附。罐体对O₂吸附的最佳压力是在0.8Bar。

真空回转吸附：

本发明气调库用制氮机采用两台空气泵，即为一台压力泵和一台真空泵。气调库内空气通过管道连接到脱氧制氮机的进气口和出气口。空气受压力泵作用被输入其中一个装满活性炭的罐体中。通过罐体的循环，氧气被CSM-F活性炭吸附，制取的氮气被输入库内。在这个过程中，进气口气体中氧气的含量,气流速度,罐体内的空气压力,都可以影响出气口气体中O2的残留量，既氮气的浓度：

进气口气体中氧气含量低→易于氧分子和氮分子的分离→制取的氮气浓度高；

气流速度高→氧气吸附花费时间短→产生的氮气浓度低；

气流速度低→氧气吸附花费时间长→产生的氮气浓度高。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果：

1.本发明气调库用制氮机可以调节罐体压力，至最佳吸附压力0.8bar，使其初始制氮浓度都可以达到95％以上，后期制氮浓度甚至可以达到99％以上。不仅如此，气调库用制氮机还可以通过双罐体循环工作，当其中一个罐体在吸附时，另一个罐体进解析，两者工作自动切换，这样就可以不间断连续产生高浓度氮气，大大提高气调库降速度。

2.本发明气调库用制氮机采用混合氮气传输系统，大大提高制氮率和氮气浓度，使后期制氮浓度可以达到99％以上，实现气调库超低氧贮藏。气调库用制氮机的进风管道既与气调库相连又与周围的外部空气相连；为了调节库内和周围空气的量，针对周围的外部空气，在进风管道处安装了一个空气操作阀，同时，针对库内气体，在进风管道处安装一台气流计。它同样也可以针对周围空气把进风管道与气流计相连。库内气体中氧气的含量随着产生的N₂的供给而降低。如果通过CSM-F碳层的输入气体中氧气含量低，则产生气体中的氧气含量也较低。如果输入过程中库内气体的氧气含量较低，将提高制氮机的制氮效率和浓度。输入库内的气体量必须少于或至少与冷库内的产生的气体量保持相等，通过气流计和手气动操作阀H2，可以实现对气流的记录和调整。

3.本发明气调库用制氮机实现超低氧贮藏，不但可以延长贮藏周期，还可以提高果品质量，直接提高了果品经济价值。

4.本发明气调库用制氮机用于制氮方法能耗低，降低贮藏成本。制氮机不但本身能耗低，整个工作过程无需加热，几乎不会给气调库内带入额外热量，使库内温度产生波动而加大制冷系统的能耗。

5.本发明气调库用制氮机全自动化工作，操作简单，维护成本低。

附图说明

图1为活性炭吸附氧气原理图；

图2为本发明吸附原理图之一；

图3为本发明吸附原理图之二；

图4为本发明吸附原理图之三；

图5为本发明吸附原理图之四；

图6为本发明混合氮气传输系统图；

F1:库气进气总管；F2:库气排气总管；B:压力泵；V:真空泵；K1-6为两位三通阀门；活性炭罐A1表示填充有活性炭的容器A1；活性炭罐A2表示填充有活性炭的容器A2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

参照图1～6所示，一种气调库用制氮机，包括

活性炭罐A1和活性炭罐A2，活性炭罐A1和活性炭罐A2均具有进气口和排气口，活性炭罐A1和活性炭罐A2内均填装有活性炭CMS-F；所述活性炭罐A1的排气口端上设有压力表P1，活性炭罐A2的排气口端上设有压力表P2；

库气排气总管，其一端通过进气管道与压力泵的入口相连，进气管道上引出一条与大气相通的大气管道，大气管道上设有手动调节阀H2，压力泵的出口端通过管道分别与活性炭罐A1的进气口、活性炭罐A2的进气口相连通，压力泵的出口端与活性炭罐A1的进气口之间的管道上设有两位三通阀K5，压力泵的出口端与活性炭罐A1的进气口之间的管道上设两位三通阀K4；

再生管路，活性炭罐A1的进气口上通过两位三通阀K3与真空泵的入口段相连通，活性炭罐A2的进气口上通过两位三通阀K4与真空泵的入口段相连通；

库气进气总管，其进口端主管路上设有手动调节阀H1，进口端主管路上的进气端设有两条分支管路，一条分支管路通过两位三通阀K1与容器A1的排气口相连通；另一条分支管路通过两位三通阀K2与容器A2的排气口相连通。

根据上述的气调库用制氮机，所述库气进气总管上设有流量计F1，库气排气总管上设有流量计F2。

一种气调库用制氮机用于制取氮气的方法，包括以下步骤：气调库内的空气通过管道连接到制氮机的进气口和出气口；空气受压力泵作用被输入活性炭罐A1或活性炭罐A2中，通过活性炭罐A1或活性炭罐A2内部的循环，氧气被CSM-F活性炭吸附，制取的氮气被输入气调库内。

上述的气调库用制氮机用于制取氮气的方法，所述活性炭罐A1或活性炭罐A2的吸附与解吸步骤如下：

当活性炭罐A1吸附的同时活性炭罐A2发生解吸，两位三通阀K1，K4和K5打开，两位三通阀K2，K3和K6关闭，活性炭罐A1内生成氮气，活性炭罐A2内CMS-F活性炭完成再生过程；

当活性炭罐A2吸附的同时活性炭罐A1发生解吸，两位三通阀阀门K2，K3和K6打开，两位三通阀K1，K4和K5关闭，活性炭罐A2内生成氮气，活性炭罐A1内CMS-F活性炭完成再生过程。

参照图1所示：本发明气调库用制氮机产生氮气主要是通过对空气中两种主要的气体：氮气和氧气进行分离。空气的分离采用了一种专用的活性炭，这种活性炭被称之为CMS-F。CSM-F碳具有独特的网状结构,对空气中的氧具有极强的吸附作用。因为氧分子结构相对于氮分子较小，更容易被CMS-F碳网状结构截流在其内表面，这一过程称为吸附。CSM-F碳的特性使得低压下即能进行O₂的吸附。罐体对O₂吸附的最佳压力是在0.8Bar。

真空回转吸附：参照图2～5所示，本发明气调库用制氮机采用两台空气泵，即为一台压力泵和一台真空泵。气调库内空气通过管道连接到脱氧制氮机的进气口和出气口。空气受压力泵作用被输入其中一个装满活性炭的罐体中。通过罐体的循环，氧气被CSM-F活性炭吸附，制取的氮气被输入库内。在这个过程中，进气口气体中氧气的含量,气流速度,罐体内的空气压力,都可以影响出气口气体中O2的残留量，既氮气的浓度：

进气口气体中氧气含量低→易于氧分子和氮分子的分离→制取的氮气浓度高；

气流速度高→氧气吸附花费时间短→产生的氮气浓度低；

气流速度低→氧气吸附花费时间长→产生的氮气浓度高；

气调库用制氮机可以调节罐体压力，至最佳吸附压力0.8bar，使其初始制氮浓度都可以达到95％以上，后期制氮浓度甚至可以达到99％以上。不仅如此，气调库用制氮机还可以通过双罐体循环工作，当其中一个罐体在吸附时，另一个罐体进解析，两者工作自动切换，这样就可以不间断连续产生高浓度氮气，大大提高气调库降速度。

混合氮气传输系统：

参照图6所示：本发明气调库用制氮机采用混合氮气传输系统，大大提高制氮率和氮气浓度，使后期制氮浓度可以达到99％以上，实现气调库超低氧贮藏。气调库用制氮机的进风管道既与气调库相连又与周围的外部空气相连；为了调节库内和周围空气的量，针对周围的外部空气，在进风管道处安装了一个空气操作阀，同时，针对库内气体，在进风管道处安装一台气流计。它同样也可以针对周围空气把进风管道与气流计相连。

气调库内气体中氧气的含量随着产生的N₂的供给而降低。如果通过CSM-F碳层的输入气体中氧气含量低，则产生气体中的氧气含量也较低。如果输入过程中库内气体的氧气含量较低，将提高制氮机的制氮效率和浓度。输入库内的气体量必须少于或至少与冷库内的产生的气体量保持相等，通过气流计和手气动操作阀H2，可以实现对气流的记录和调整。

表1真空回转吸附的详细制氮过程的描述

为实现混合氮气传输系统，气调库用制氮机的进风管道既与气调库相连又与周围的外部空气相连，如附图6所示，调节手动调节阀门H2，可以调节气调库用制氮机吸气外部空气量的多少，调节手动调节阀门H1，可以调节气调库用制氮机出气量的大小，调节H1和H2，就可以控制库房进、出气流量的平衡。观察流量计F1和F2，可以记录进出气流量的大小。