CN100500260C - 利用导磁轭铁加强层叠磁体阵列实现空气中氧气富集的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用导磁轭铁加强层叠磁体阵列实现空气中氧气富集的装置及方法，属于气体分离技术领域。装置包括：层叠磁体阵列、导磁轭铁、磁场空间、磁场空间开放边界上的流动阻尼层、空气源、缓冲器、空气输送管、入口过渡段、出口过渡段、富氧空气输送管、阀门、富氮空气输送管、容器外壳以及富氧气体出口气体电加热器。方法是使空气注入一个具有开放边界、在边界上存在梯度方向指向内部的梯度磁场的磁场空间，在空气从开放边界流出时，利用梯度磁场对氧气分子产生的作用力将空气中的氧气分子束缚在磁场空间内，在磁场空间内形成氧的富集区，把该区域内的气体引出得到富氧空气。优点在于：操作方便，造价低廉，能耗低，使用寿命长，适用性广，磁污染小等。

Description

利用导磁轭铁加强层叠磁体阵列实现空气中氧气富集的装置及方法

技术领域

本发明属于空气分离技术领域，提出了一种利用磁力作用实现空气中氧气富集的具有导磁轭铁的层叠磁体阵列结构装置和方法。

背景技术

空气中氧气含量为20.9％，含氧量高于此值的空气被称为富氧空气。富氧空气在工农业生产中有着极其重要的作用，而且可以有效降低燃料燃烧过程中空气污染物的排放。所以，采用方便、经济的方法实现氧气富集一直是人们极为关注的问题。自从法拉第发现气体流动的磁致效应以来，许多研究者都对这种磁致气体行为进行了研究并且加以应用。20世纪初，国内外研究者就开始了对空气在梯度磁场作用下的对流作用的探索；到了80年代初，国外学者开始研究基于磁致气体行为的氧气富集技术；在90年代中期开始，国内也开始有这方面的报道，但是由于存在种种技术上的困难，研究进展一直缓慢。2005年申请的一项中国发明专利提出了一种全新的利用磁致气流行为富集氧气的装置与方法[吴平、王立、蔡军等，利用磁力实现空气中氧气富集的装置及方法。国家发明专利，申请号：200510086240.9。公告号：CN1762792.2005]，提出利用2块磁体构成的磁场空间边界梯度磁场的拦截作用而非偏转作用实现氧气的富集，应用该方法所建立的小型实验装置已获得了0.65％的氧气富集率。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用磁力作用实现空气中氧气富集的装置及方法，在常温常压下实现空气中的氧气富集，富集装置具有结构简单，操作方便，造价低廉，能耗低，使用寿命长，适用性广，磁污染小等特点。

本发明的装置包括：层叠磁体阵列1(磁体可以是永磁体，也可是电磁铁、超导磁体等)，磁场空间8，磁场空间8开放边界上可以有流动阻尼层3覆盖(流动阻尼层由有机或无机多孔介质材料制成)、导磁轭铁2、空气源4、缓冲器5、空气输送管6、入口过渡段7、出口过渡段9、富氧空气输送管10、阀门11、富氮空气输送管12、容器外壳13以及富氧气体出口气体电加热器15。层叠磁体阵列1由3～12000块磁体构成，形成2～11999个磁场空间，各磁体之间的间距为0.1mm～1000mm，各磁体的厚度为0.3mm～1500mm。层叠磁体阵列1相邻各磁体之间异极相对形成磁场空间8，在磁场空间的边界处形成磁场梯度；入口过渡段7的一端连接空气输送管6，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间8；磁场空间8的出口通过出口过渡段9与富氧空气输送管10相连。富氮空气输送管12与容器14相连；两个阀门11分别安装在富氧空气输送管10和富氮空气输送管12上，通过配合调节这两个阀门，可以控制从富氧空气输送管10以及富氮空气输送管12流出气体的流量和压力。空气经过缓冲器5，被送入磁场空间8，当空气进入磁场空间8后，由于通过富氧空气输送管10流出的富氧空气流量小于通过空气输送管6进入磁场空间的流量，将有部分空气向流动方向的两侧从磁场空间8的边界经过流动阻尼层3流出，由于在磁场空间8的边界处存在指向磁场空间内部的磁场梯度，氧气分子在磁场力的作用下其出流受到束缚，而氮气分子和其它分子可以顺利流出磁场空间8，被束缚在磁场空间内的氧气分子继续随主流气体沿原来的方向流动，这样就在磁场空间内部，尤其是在远离空气注入口的地方氧分子得到富集。富氧空气经出口电加热器15加热后，经出口过渡段9和富氧空气输送管10输送到装置外；富氮空气流入容器14中，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道12排出装置之外。如果采用多级结构，从装置中引出的富氧空气可以作为下一级装置的入口空气。

本发明所述的磁体截面的形状可以是方形、三角形、圆形，梯形或多边形。与此相对应，由其形成的磁场空间的截面形状可以是方形、三角形、圆形、梯形或多边形。

本发明所示的氧气富集装置也可以为多级结构，前一级的富氧空气出口作为后一级的空气入口，因此所述装置的串联组合也属本发明范围之内。

空气的主要成分是氧气和氮气，还有少量的二氧化碳，水蒸汽以及其它微量的惰性气体。在这些气体当中，氧气的体积磁化率为+146×10^-6(“+”表示该气体为顺磁性气体)，这类气体在梯度磁场受到的磁力的方向与场强梯度方向一致。相反，氮气的体积磁化率为-0.58×10^-6，二氧化碳为-0.84×10^-6，水蒸汽为-0.58×10^-6(“-”表示该气体为抗磁性气体)，这类气体在梯度磁场中受到的磁力的方向与场强梯度方向相反。由此可见，不但氧气的体积磁化率比空气中其它气体的体积磁化率大很多，而且其磁性相反。氧气的这一性质使得利用梯度磁场来实现空气中氧气的富集成为可能。

本发明所述的利用磁力的拦截作用实现空气中氧气富集的方法，是使空气流经一个由带有导磁轭铁的层叠磁体阵列所形成的磁场空间，在由相邻两块磁体所形成的磁场空间的边界处会形成梯度方向指向磁场空间内部的梯度磁场，利用梯度磁场对氧气分子产生的作用力将流出磁场空间的空气中的氧气分子束缚在磁场空间内，在磁场空间内远离空气入口的地方形成氧的富集区，把该区域内的气体引出即可得到富氧空气。当空气从空气入口进入磁场空间后，有部分气体从两侧开放边界上流出。当空气流出磁场空间时，由于边界处存在梯度方向指向磁场空间内部的磁场梯度，氧气分子(顺磁性分子)受到指向磁场空间内部的磁力，因此其出流受到阻碍而可能被拦截在磁场空间内；氮气分子与其它气体分子(抗磁性分子)受到指向磁场空间外部的磁场力，因此可以顺利流出磁场空间。这样就在磁场空间内部，尤其是在远离空气入口的地方氧分子得到富集。磁场空间边界处的梯度磁场就像一个“磁筛”，对氧气分子具有拦截作用，对氮气分子放行。

本发明所述的磁场空间由多层磁体层叠所形成，相邻两磁体间的间距或磁场空间的厚度范围为0.1mm～1000mm，磁体的厚度为0.3mm～1500mm。

本发明是利用层叠磁体阵列中各磁体之间梯度磁场的“磁筛”作用把空气中的氧分子束缚在磁场空间内从而实现氧气的富集，它与依靠梯度磁场对氧气产生的吸引力使流动空气中的氧气分子的流动方向产生偏移的氧气富集方法不同，虽然两者都是利用了氧氮气分子在梯度磁场中会受到方向相反磁力作用的原理，但是前者(“磁筛”方法)可以有效避免氧气富集过程中，气体湍流，气体分子的热运动以及浓度扩散等对氧气富集的削弱作用。

本发明与申请号：200510086240.9，公告号：CN1762792.2005的专利申请相比有如下特点：

1、由于层叠磁体阵列中各磁体所产生的磁场在空间中各磁体所产生的磁场在空间的相互叠加作用，使得每一磁场空间中的磁场梯度得到加强。例如，利用6块厚度为5.0mm的N35钕铁硼永磁体所构成的层叠磁体阵列结构，在所形成的厚度为1mm的5个磁场空间中，磁场强度是由同样大小的两块磁体所形成的磁场空间中的磁场强度的3.0～3.6倍，相应的，由于磁场空间内磁场强度的提高，磁场空间开放边界处的氧气富集能力可以提高2.0～2.6倍。

2、当加入导磁轭铁后，由于导磁轭铁具有高磁导率，使得各个磁体之间空气间隙的磁位降有效提高，即增大了空气间隙的磁场强度，从而提高了永磁体的氧富集能力。例如，将同样的6块厚度为5.0mm的N35钕铁硼永磁体所构成的层叠磁体阵列结构固定在导磁轭铁中，其开放边界处的氧气富集能力可以再提高60％～100％。

3、由于采用的层叠结构具有多流道设计以及导磁轭铁对磁场的加强作用，使得处理同样多气体的装置的磁体的使用量更少。

4、带有导磁轭铁的磁体层叠结构中的每一个磁场空间边界处的氧气富集能力都大大高于由同尺寸的2块永磁体构成的单一磁场空间或者同等厚度和数量的磁体层叠结构构成的每一个磁场空间边界处氧气富集能力。

本发明具有以下优点：

1.可以在常温常压下进行氧气富集；

2.层叠磁体阵列由永磁体形成时，不需要另外消耗能量；

3.系统主要部件没有机械运动和磨损问题，使用寿命长；

4.可实现连续氧气富集，随用随制，不需要高压钢瓶运输与存储，节省费用而且安全可靠；

5.结构简单；

6.由于利用的是层叠磁体阵列中各磁场空间开放边界上梯度磁场的“磁筛”作用，加大了氧分子和梯度磁场的作用空间，并可有效避免气体湍流，分子热运动以及浓度扩散对氧气富集的削弱作用，提高了富集效率；

7.在磁场空间开放边界上安装了流动阻尼层，防止了外部气流进入磁场空间，保证了富氧效果不被削弱；

8.应用范围广，从生活炉灶、工业锅炉到内燃机等均可以应用；

9.由于增加了导磁轭铁，磁场空间所产生的磁场强度相比单纯的磁体阵列结构得到大大加强，而且极大的改善了磁体阵列结构本身中心磁场空间外的其他磁场空间的氧气富集能力小于中心磁场空间的缺陷；

10.导磁轭铁除了可以改善磁场空间的氧气富集能力，而且将永磁体产生的磁场束缚在装置中，极大的减少了氧气富集装置本身产生的强磁场对周围环境的影响。

附图说明

图1为本发明实施例之一所采用的带有导磁轭铁的层叠磁体阵列结构及其磁极布置形式的三维示意图(不包括流动阻尼层)。

图2为图1所示层叠磁体阵列中一个磁场空间内的磁场分布示意图

图3为图1所示带有导磁轭铁的层叠磁体阵列富集空气中氧气的工作原理示意图。

图4为本发明装置结构的主视图。

图5为本发明图4所示装置从中间水平剖开的俯视图。

具体实施方式

图1～图5为本发明的具体实施方式。

如图1所示，层叠磁体阵列的两级用导磁轭铁相连接，各磁体之间所形成的缝隙就是所需的磁场空间，也是空气通道。

由图2可知，每层空气通道(或磁场空间)内部的磁场在磁体宽度方向上呈对称分布，在磁场空间中心及附近区域内，磁场几乎是均匀的，在磁场空间的边界附近急剧下降，因此，在磁场空间的边界附近存在指向磁场空间内部的磁场梯度，如图3所示，氧分子在该梯度磁场区域内受到的磁力指向磁场空间内部，而氮气分子与其它气体分子受到的磁力指向磁场空间外。因此氧分子被束缚在磁场空间内，而其它分子则可流出磁场空间。梯度磁场的作用类似一个具有选择性的筛子，可称之为“磁性分子筛”或“磁筛”。随着空气在磁场空间中的流动，越来越多的氧分子被“磁筛”束缚在磁场空间内，而氮气分子可以通过该“磁筛”流出磁场空间，在磁场空间内远离空气注入口的区域内氧浓度达到最大。当磁体阵列结构加入导磁轭铁后其磁场空间所产生的磁场强度得到大大加强，而且极大的改善了磁体阵列结构本身中心磁场空间外的其他磁场空间的氧气富集能力小于中心磁场空间的缺陷。

如图4、图5所示，层叠磁体阵列间的缝隙中形成磁场空间8，并且在磁场空间的边界处形成梯度方向指向磁场空间内部的磁场梯度；入口过渡段7的一端连接空气输送管6，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间8；磁场空间8的出口通过出口过渡段9与富氧空气输送管10相连。富氮空气输送管12与容器14相连；两个阀门11分别安装在富氧空气输送管10和富氮空气输送管12上，通过配合调节这两个阀门，可以控制从富氧空气输送管10以及富氮空气输送管12流出气体的流量和压力。空气经缓冲器5送入磁场空间8，当空气进入磁场空间8后，由于通过富氧空气输送管10流出的富氧空气流量小于通过空气输送管6进入磁场空间的流量，将有部分空气朝流动方向的两侧从磁场空间8的边界经过流动阻尼层流出，由于在磁场空间8的边界附近存在指向磁场空间内部的磁场梯度，氧气分子在磁场力的作用下其出流受到束缚，而氮气分子和其它分子可以顺利流出磁场空间8，被束缚在磁场空间内的氧气分子继续随主流气体沿原来的方向流动，这样就在磁场空间内部，尤其是在远离空气注入口的地方氧分子得到富集。富氧空气经出口电加热器15加热后，经出口过渡段9和富氧空气输送管10输送到装置外；富氮空气流入容器14中，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道12排出装置之外。如果采用多级结构，从装置中引出的富氧空气可以作为下一级装置的入口空气。

Claims (3)

1、一种利用导磁轭铁加强层叠磁体阵列实现空气中氧气富集的装置，包括：层叠磁体阵列、导磁轭铁、流动阻尼层、空气源、缓冲器、空气输送管、入口过渡段、磁场空间、出口过渡段、富氧空气输送管、阀门、富氮空气输送管、容器外壳、电加热器；其特征在于：由磁体组成层叠磁体阵列(1)，层叠磁体阵列(1)各磁体之间异极相对形成磁场空间(8)，在磁场空间的边界处形成磁场梯度；在层叠磁体阵列(1)的两级有一个导磁轭铁(2)将层叠磁体结构所产生的磁感线封闭在导磁轭铁中；入口过渡段(7)的一端连接空气输送管(6)，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间(8)；磁场空间(8)的出口通过出口过渡段(9)与富氧空气输送管(10)相连，磁场空间(8)的开放边界上设置流动阻尼层(3)，在磁场空间(8)的富氧空气出口处设置电加热器(15)；富氮空气输送管(12)与容器(14)相连；两个阀门(11)分别安装在富氧空气输送管(10)和富氮空气输送管(12)上，通过配合调节这两个阀门，控制从富氧空气输送管(10)以及富氮空气输送管(12)流出气体的流量和压力；空气经过缓冲器(5)被送入磁场空间(8)，当空气进入磁场空间(8)后，由于通过富氧空气输送管(10)流出的富氧空气流量小于通过空气输送管(6)进入磁场空间的流量，将有部分空气向流动方向的两侧从磁场空间(8)的边界经过流动阻尼层(3)流出，富氧空气经出口电加热器(15)加热后，经出口过渡段(9)和富氧空气输送管(10)输送到装置外；富氮空气流入容器(14)中，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道(12)排出装置之外。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：导磁轭铁由纯铁或硅钢高导磁材料制成。

3、一种采用权利要求1所述装置实现空气中氧气富集的方法，其特征在于，使空气流经一个由导磁轭铁(2)环绕的层叠磁体阵列(1)所形成的磁场空间(8)，在每一个由相邻两块磁体所形成的磁场空间的边界处会形成梯度方向指向磁场空间内部的梯度磁场，当空气从空气入口进入磁场空间后，有部分气体将从磁场空间两侧开放边界上流出，利用梯度磁场对氧气分子产生的作用力将流出磁场空间的空气中的氧气分子束缚在磁场空间内，在磁场空间内远离空气入口的地方形成氧的富集区，把该区域内的气体引出，得到富氧空气；由于导磁轭铁(2)使层叠磁体阵列(1)中各磁体所产生的磁场在空间的相互叠加作用得到进一步加强，使每一磁场空间(8)中的磁场强度得到增强，磁场空间开放边界处的磁场梯度也相应得到增强；由于梯度磁场拦截氧分子的能力正比于磁场强度与磁场梯度的乘积，层叠磁体阵列中的每一个磁场空间(8)边界处的梯度磁场拦截氧分子的能力都高于由相同尺寸两块磁体所构成的单一磁场空间边界处梯度磁场拦截氧分子的能力。

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