低溫空氣分離的超導(dǎo)磁分離器、分離裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空氣分離，尤其涉及利用超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)進行低溫空氣分離的超導(dǎo)磁分離器、分離裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)氣體是現(xiàn)代工業(yè)的“血液”，其應(yīng)用遍及鋼鐵、冶金、化工、造船、汽車、醫(yī)藥、食品、電子、石油、航空航天等諸多重要領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)氣體的需求激增。據(jù)美國空氣產(chǎn)品公司(APCI)預(yù)測:截至2015年全球工業(yè)氣體市場年增長9%，達到960億美元；亞洲市場年增長14%，而中國增長將高達19%。然而，工業(yè)氣體生產(chǎn)中高能耗、高成本問題已成為制約工業(yè)氣體行業(yè)乃至相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的突出瓶頸。
[0003]工業(yè)氣體大都來自空氣分離，其中氧、氮、氬氣的需求量最大?？諝夥蛛x的方法主要有低溫精餾法、變壓吸附法(PSA)、薄膜分離法、化學(xué)吸收法等多種。近年來，煤化工、石油化工、金屬冶煉等行業(yè)不斷推動著空氣分離成套裝備向著大型化、節(jié)能化和智能化方向發(fā)展。
[0004]除利用沸點差異實現(xiàn)低溫精餾分離外，磁化率的差異也是可資利用的重要特性。氧氣是順磁性氣體，其正磁化率為常見氣體中最大。標準狀態(tài)下，氧氣的磁化率絕對值約為氮氣的300倍；而氮氣是逆磁性氣體，磁化率較低且為負值，其磁化率大小基本不隨溫度而改變。氧氮混合物在梯度磁場中將受到方向相反的磁場力作用，因而呈現(xiàn)出相反的磁性流動行為，這為利用梯度磁場作用實現(xiàn)空氣分離提供了理論依據(jù)。吳平等在專利文獻ZL200510086240.9中提出了采用兩塊永磁鐵疊放，利用其圍成的磁場空間實現(xiàn)連續(xù)富氧的方法。磁場空間邊界處指向空間內(nèi)部的場強梯度起到了攔截氧氣的作用，而逆磁性的氮氣可以自由溢出磁場空間，這樣在磁場空間內(nèi)實現(xiàn)了氧氣的連續(xù)富集，該富氧裝置實驗中單級最大氧氣富集程度為0.65%。王喜魁等在專利文獻ZL200820010636.4和ZL200820010635.X中提出了兩種小型帶鋼毛的高梯度空氣分離裝置，利用含鉻不銹鋼毛強化梯度磁場。磁力空氣分離裝置簡便、能耗低，但普遍存在著產(chǎn)品純度低的缺點。
[0005]為了提高磁力空氣分離裝置的效率及產(chǎn)品純度，可以采用增強磁場強度、梯度，降低操作溫度，與其它空氣分離手段耦合作用等方法。邱利民等在專利文獻ZL2014201361163中提出了一種梯度磁場輔助低溫精餾空氣分離裝置，可以利用低溫精餾與磁分離的耦合作用實現(xiàn)高純度的空氣分離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有磁力空氣分離裝置中存在的問題，本發(fā)明提供一種高效率、高純度的利用超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)進行低溫空氣分離的超導(dǎo)磁分離器、分離裝置及方法。
[0007]—種利用超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)進行低溫空氣分離的方法，其特征在于，包括:使液態(tài)或超臨界狀態(tài)的空氣在超導(dǎo)薄膜表面流過，超導(dǎo)薄膜內(nèi)存在貫通的微孔，由于邁斯納效應(yīng)，微孔的兩端將形成很高的磁場梯度，產(chǎn)生對于氧分子的反向作用力，從而透過薄膜的流體為氮氣，截留的流體為氧氣。
[0008]氧氣是順磁性氣體，常溫常壓下其磁化率絕對值約為氮氣的300倍，空氣中的氧分子將受到朝向磁場強度增大方向的磁化力。同時，由于順磁性氣體遵從居里定律(磁化率與熱力學(xué)溫度成反比)，低溫下氧氣的磁化率將大幅提高，磁分離的作用將顯著提升；相反地，氮氣只具有相當(dāng)微弱的逆磁性，且磁化率大小與溫度無關(guān)，氮分子的運動基本不受磁場的影響。
[0009]所述超導(dǎo)薄膜放置在高強度磁場中，高強度磁場由外磁體提供，外磁體可采用超導(dǎo)磁體提供。處于超導(dǎo)狀態(tài)的薄膜在外加磁場下將產(chǎn)生邁斯納效應(yīng)，即薄膜表面產(chǎn)生一個無損耗感應(yīng)電流。這個電流產(chǎn)生的磁場與外加磁場大小相等、方向相反，因而超導(dǎo)體完全排出了外部磁場，超導(dǎo)體外部的磁感線將繞過超導(dǎo)體傳播。
[0010]所述超導(dǎo)薄膜內(nèi)部存在貫通的微孔，由于邁斯納效應(yīng)，微孔的兩端將形成很高的磁場梯度。當(dāng)空氣流經(jīng)超導(dǎo)薄膜的一側(cè)表面時，空氣中的氧分子在微孔端部附近將受到朝向超導(dǎo)薄膜外側(cè)的磁化力作用，從而被攔截在孔外，而氮分子可以無阻礙地通過微孔運動到超導(dǎo)薄膜的另一側(cè)。
[0011 ] 所述空氣原料處于低溫液體或超臨界氣體狀態(tài)，原料本身將提供超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)薄膜維持超導(dǎo)狀態(tài)所需的低溫。當(dāng)原料為液態(tài)時，可以利用重力維持超導(dǎo)薄膜兩側(cè)的壓力差。當(dāng)原料為超臨界狀態(tài)時，原料中的組分擴散系數(shù)更高，有利于氮氣分子透過薄膜實現(xiàn)分離，但需要額外的壓力以提供流體透過薄膜所需的動力。
[0012]本發(fā)明還提供了一種利用超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)進行低溫空氣分離的超導(dǎo)磁分離器，包括帶有空氣原料進口、氧氣出口和氮氣出口的外殼，以及設(shè)于外殼內(nèi)的分離芯體，所述分離芯體包括:
[0013]用于提供磁場的外磁體；
[0014]至少一部分為多孔超導(dǎo)薄膜的分離元件，該分離元件設(shè)置在所述外磁體磁場內(nèi)部；
[0015]所述多孔超導(dǎo)薄膜一側(cè)與自空氣原料進口進入的空氣原料接觸，用于收集氧氣，并通過氧氣出口排出；所述超導(dǎo)體另一側(cè)用于收集穿過所述孔結(jié)構(gòu)的氮氣，然后經(jīng)氮氣出口排出。
[0016]分離元件可采用管體結(jié)構(gòu)或者可采用板狀結(jié)構(gòu)。
[0017]作為優(yōu)選，所述分離元件為由超導(dǎo)薄膜圍成的多孔管，多孔管兩端分別與空氣原料進口和氧氣出口導(dǎo)通。作為進一步優(yōu)選，所述多孔管為多個。采用該技術(shù)方案時，所述超導(dǎo)磁分離器可采用管殼式分離器。所述管殼式分離器包括殼體、端蓋以及設(shè)置在殼體內(nèi)的超導(dǎo)磁體、分配段以及多孔管束，超導(dǎo)磁體環(huán)繞多孔管束布置，分配段布置在多孔管束的入口和出口處。殼體、端蓋構(gòu)成了上述外殼。
[0018]原料空氣經(jīng)入口通過分配段均勻分布到管束中的每一根多孔管中，由于多孔管內(nèi)壁附近存在梯度磁場，氧氣被截留在多孔管內(nèi)由氧氣出口流出，而氮氣側(cè)流透過管壁由殼體上的氮氣出口流出。
[0019]作為優(yōu)選，所述多孔管包括:
[0020]位于外部的支撐層；
[0021]同軸固定在支撐層內(nèi)的超導(dǎo)薄膜層；
[0022]設(shè)于支撐層與超導(dǎo)薄膜層之間的多孔阻尼層。
[0023]上述方案中，所述多孔管束中的每一根多孔管都由三層構(gòu)成，由內(nèi)至外分別為超導(dǎo)層、阻尼層和支撐層。超導(dǎo)層的作用是產(chǎn)生分離所需的梯度磁場，阻尼層的作用是維持原料空氣側(cè)和氧氣、氮氣側(cè)的壓力差，從而控制透過物和截留物的比例，支撐層的作用是保持管壁的強度。
[0024]作為優(yōu)選，所述分離元件為空腔結(jié)構(gòu)的篩板，該篩板中一側(cè)側(cè)壁為多孔超導(dǎo)薄膜，該側(cè)為空氣原料的迎接側(cè)；所述篩板與外殼內(nèi)壁之間留有空氣流道；所述篩板側(cè)壁設(shè)有氮氣排出口。
[0025]作為優(yōu)選，所述篩板為多個，多個篩板交錯設(shè)置，形成迂回的空氣流道結(jié)構(gòu)。該技術(shù)方案中，所述超導(dǎo)磁分離器為板框式分離器，所述板框式分離器包括殼體、端蓋以及設(shè)置在殼體內(nèi)的超導(dǎo)磁體、導(dǎo)流板、篩板以及增壓器，超導(dǎo)磁體布置在篩板兩側(cè)，導(dǎo)流板布置在空氣原料的入口處，篩板側(cè)面的透過物出口與增壓器相連。殼體、端蓋構(gòu)成了上述外殼。
[0026]作為優(yōu)選，所述外殼上設(shè)有與每個篩板對應(yīng)的氮氣回流口 ；對于其中一個篩板，其氮氣排出口與上一級篩板的氮氣回流口連通。所述篩板上表面為多孔超導(dǎo)薄膜，內(nèi)部中空。原料空氣從篩板上表面橫向流過，由于多孔薄膜表面存在梯度磁場，氧氣被截留在篩板上方，繼而流向下一級篩板，而氮氣透過多孔薄膜流向篩板內(nèi)部，由篩板側(cè)面流出，進入增壓器增壓后回流到上一級篩板。
[0027]本發(fā)明同時提供了一種利用超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)進行低溫空氣分離的裝置，包括吸附器、與吸附器出口依次連通的壓縮機、換熱器、超導(dǎo)磁分離器、氧儲罐和氮儲罐，所述超導(dǎo)磁分離器為上述任一技術(shù)方案所述的利用超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)進行低溫空氣分離的超導(dǎo)磁分離器。
[0028]作為優(yōu)選，所述超導(dǎo)磁分離器為多級。多個所述超導(dǎo)磁分離器順次連接，磁分離器側(cè)面的氮氣出口與上一級超導(dǎo)磁分離器的原料入口相連。最上一級的超導(dǎo)磁分離器的氮氣出口與換熱器和氮儲罐順次連接，最下一級超導(dǎo)磁分離器的氧氣出口與換熱器和氧儲罐順次連接。
[0029]原料空氣流經(jīng)吸附器排除二氧化碳和水等雜質(zhì)，然后通過壓縮機壓縮至較高壓力，高壓的空氣在換熱器中被制冷工質(zhì)和回流的氧氣、氮氣冷卻到超導(dǎo)磁分離器的操作溫度，然后通過多級超導(dǎo)分離器實現(xiàn)高純度分離。
[0030]作為優(yōu)選，抽取一部分經(jīng)壓縮和冷卻后的空氣在透平膨脹機中膨脹吸熱作為所述制冷工質(zhì)。
[0031]本發(fā)明利用超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)進行低溫空氣分離，超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的高強度磁場作用于多孔超導(dǎo)薄膜，通過超導(dǎo)薄膜內(nèi)的邁斯納效應(yīng)營造用于分離的高梯度磁場，可以獲得高品質(zhì)氧氣和氮氣產(chǎn)品。相比于傳統(tǒng)的磁力空氣分離，本發(fā)明磁場強度、梯度更高，低溫的原料空氣中氧分子的磁化率成倍增大，并且可以提供磁體和薄膜維持超導(dǎo)狀態(tài)所需的冷量，因此分離效率、產(chǎn)品純度更高，在化工、冶煉、醫(yī)療等需要提供高純度氧氣的領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。
【附圖說明】
[0032]圖1是超導(dǎo)薄膜周圍的磁場分布示意圖；
[0033]圖2是空氣在薄膜表面分離的原理示意圖；
[0034]圖3是利用超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)的空氣分離流程圖；
[0035]圖4是管殼式超導(dǎo)分離器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖5是空氣經(jīng)多孔管分離的原理簡圖；
[0037]圖6是板框式超導(dǎo)分離器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖7是板框式超導(dǎo)空氣分離的原理簡圖。
[0039]上述附圖中:
[0040]1.超導(dǎo)薄膜，2.超導(dǎo)磁體，3.磁感應(yīng)線，4.吸附器，5.壓縮機，6.換熱器，7.超導(dǎo)磁分離器，8.氧儲罐，9.氮儲罐，10.多孔管束，11.殼體，12.超導(dǎo)磁體，13.端蓋，14.阻尼層，15.支撐層，16.篩板，17.增壓器，18.導(dǎo)流板。
【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明:
[0042]—種利用超導(dǎo)邁斯納效應(yīng)進行低溫空氣分離的方法，包括使液態(tài)或超臨界狀態(tài)的空氣在超導(dǎo)薄膜表面流過