CN101700452B

CN101700452B - 多级隧道式顺磁分离富氧装置

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Publication number: CN101700452B
Application number: CN200910152415XA
Authority: CN
Inventors: 魏伯卿
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-09-07
Also published as: CN101700452A

Abstract

多级隧道式顺磁分离富氧装置，包括多个截面为等腰三角形或等腰梯形的长条形永久性磁铁分层分级堆积，并由支承框架支承固定；根据需要组装更多级的多级三角形隧道组A；同样组装另一组排列相同、数量一样的多级三角形隧道组B，两组相同的三角形隧道组A和B以三角形尖角相对或梯形短边相对并对称放置，组成鳄鱼嘴式的对称多级隧道式顺磁分离富氧装置。其优点为结构简单、使用方便、产氧量可大可中可小、产氧浓度可高可中可低且成本较低、运行成本更低。

Description

多级隧道式顺磁分离富氧装置

技术领域

本发明涉及一种多级隧道式顺磁分离富氧装置，属于气体分离技术领域。

背景技术

空气中氧气的含量为20.93％，当空气中氧气含量超过21％时称为富氧空气；随着科技的发展和社会的进步，富氧空气的应用也越来越广，包括：富氧助燃节能环保、医疗保健卫生、化学化工反应以及农业水产养殖等等，特别是人类面临的环境污染和能源短缺，使得改善家庭环境的氧含量以抵御大气的污染和应用富氧助燃节能环保成为势在必行；但用于富氧助燃节能环保的膜法富氧尽管生产成本偏高、运行费用偏大，而用于家庭的室内供氧却一直因为制氧成本太高而无法大面积推广。

目前制取富氧气体的方法有：深冷法、变压吸附法、电解水法、化学法、膜分离法等，这些方法制氧成本都很高。人类认识并研究利用氧气的顺磁性和氮气的抗磁性特点及体积磁化率相差251倍的差异，设计制作过多种多样的装置，并申请了多个相关专利，但都因顺磁分离气体中氧含量增量不大，没有实用价值而至今没有能够工业化或产业化。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、使用方便、产氧量可大可中可小、产氧浓度可高可中可低且成本较低、运行成本更低的一种多级隧道式顺磁分离富氧装置。

氧气为顺磁性介质，标准状态下其体积磁化率为146×10^-6，氮气为抗磁性介质，标准状态下其体积磁化率为-0.58×10^-6，根据这一特性，氧气和氮气在梯度磁场(dB/dx＞0)中会受到不同强度方向相反的磁场力作用：

氧分子受力为：F₁＝μ₁dB/dx＝m₁a₁＝4.32×10^-24B dB/dx，

μ₁为氧分子磁矩，m₁为氧分子质量，a₁为氧分子加速度，B为磁场强度；

氮分子受力为：F₂＝-μ₂dB/dx＝m₂a₂＝-1.72×10^-26B dB/dx，

μ₂为氮分子磁矩，m₂为氮分子质量，a₂为氮分子加速度，B为磁场强度；

F₁/F₂＝(4.32×10^-24B dB/dx)/(1.72×10^-26B dB/dx)＝251.16倍

氧气所受磁场力指向磁场强度增大的方向，而氮气受到的磁场力指向磁场强度减小的方向；

根据朱重光教授的计算(淮北煤师院学报1997年第18卷第1期)氧分子和氮分子的分离行程为1.8mm，但实际分离过程中由于分子的热运动、湍流和碰撞等多重作用，与理论计算有相当的差距；本发明每条隧道的空间能使氮氧分子产生多次逐级分离；另外，根据蔡军博士等的实验结果(北京科技大学学报2006年5月)：当混合气体中氧气的初始体积分数由20％增加到30％时，其顺磁分离气中氧的体积分数增量由0.12％增加到0.59％，这说明氮氧混合气体中氧气含量越高，其顺磁分离气中氧气浓度的增量比例也就越大。因此本发明采用多级隧道分离，即第一级隧道分离出的富氧空气进入第二级隧道进行顺磁分离，第二级顺磁隧道分离出的富氧空气再进入第三级隧道分离，然后进行第四级分离、第五级分离……，这样上一级分离出的富氧空气在下一级中可以分离富集出更高浓度的富氧空气，这样一级一级的连续不断分离富集的富氧气体的氧浓度也越来越高。

本发明提供的一种多级隧道式顺磁分离富氧装置，包括多个截面为等腰三角形或等腰梯形的长条形高强磁力的永久性磁铁分层分级堆积，并由长六边支承框架支承固定；长条形磁铁的两侧分别为N极和S极，三角形或梯形长条形磁铁大小不一样，最大的一组三角形长条磁铁的底边或最大的一组梯形长条磁铁的长底边间隔间隙地异极相对地排成一条直线(或者一条折线)，而且其尖角间隙宽度由间隙调节器调节，调节其间隙宽度可改变分离富集的富氧气浓度和富氧量(富氧浓度和富氧量与上一级的氧浓度和流量有关)；次大的三角形长条磁铁或次大的梯形长条磁铁按最大的长条磁铁方向一致异极相对地间隔间隙地放置在最大的长条磁铁之间，组成三角形顺磁隧道，次大的三角形长条磁铁的三角形底边或次大的梯形长条磁铁的梯形长底边基本在同一水平上，其底边与最大的长条磁铁腰间的尖角间隙宽度由间隙调节器调节，调节其间隙宽度可改变分离富集的富氧气浓度和富氧量(富氧浓度和富氧量与上一级的氧浓度和流量有关)；同样，第三大的三角形长条磁铁或第三大的梯形长条磁铁按最大的长条磁铁方向一致异极相对地间隔间隙地放置在次大的长条磁铁与最大的长条磁铁之间，组成三角形顺磁隧道，且第三大的三角形长条磁铁其三角形底边或第三大的梯形长条磁铁其梯形长底边基本在同一水平上，其底边与次大的长条磁铁和最大的长条磁铁腰间的尖角间隙宽度由间隙调节器调节，调节其间隙宽度可改变分离富集的富氧气浓度和富氧量(富氧浓度和富氧量与上一级的氧浓度和流量有关)；以此类排可以根据需要组装更多级的多级三角形隧道组(三角形长条形磁铁或梯形长条形磁铁的排列也可以不按上述的大小顺序排列，只要能组成更大化梯度磁场的三角形或尖角隧道分离即可)；同样组装另一组排列相同数量一样的多级三角形隧道组，两组相同的三角形隧道组以三角形尖角相对或梯形短边相对并对称放置，组成鳄鱼嘴式的对称多级隧道式顺磁分离富氧装置。每两相邻磁铁间均有一个三角形(或三角尖角)的与长条磁铁一样长的三角形隧道(鳄鱼嘴中间的为尖角形隧道)，每个三角形隧道或尖角形隧道都是一级梯度磁场分离隧道。

空气从两组对称放置的鳄鱼嘴送入，前进中经过并列的多个隧道尖角，氧气分子在前进中不断在梯度磁场顺磁力的作用下，向磁场梯度增强的隧道尖角间隙移动富集，同时氮气分子在前进中受抗磁力的作用不断远离隧道尖角，因此，隧道尖角的氧浓度不断增高，并在前进中的送风力作用下不断穿过尖角间隙进入下一个三角形隧道，形成第一级分离富集的富氧空气，其富氧浓度高于进入鳄鱼嘴的初始空气的氧浓度；在三角形隧道中不断前进的第一级分离富集的富氧空气，连续受到第二级三角形隧道中的梯度磁场顺磁力的作用，高浓度氧分子不断移向第二级三角形隧道的尖角间隙，不断穿过尖角间隙进入第三级三角形隧道，形成第二级分离富集的富氧空气，其富氧浓度高于第一级分离富集的富氧空气；在三角形隧道中前进的第二级分离富集的富氧空气，连续受到第三级三角形隧道中的梯度磁场顺磁力的作用，更高浓度氧分子不断移向第三级三角形隧道的尖角间隙，并不断穿过尖角间隙进入最高浓度富氧气通道，形成第三级分离富集的富氧空气，其富氧浓度又高于第二级分离富集的富氧空气。最后从长条三角形隧道出来的各级浓度富氧空气和最高浓度富氧气通道出来的富氧气体，可以分别引至使用地；在同一级别的三角形隧道出来的富氧气浓度是一样的，但不同级别的三角形隧道出来的富氧气浓度不一样，从最高浓度富氧气通道依次往鳄鱼嘴其氧浓度逐级递减。

改变截面为等腰三角形或等腰梯形长条形磁铁的长度即顺磁隧道长度、各三角形顺磁隧道(鳄鱼嘴间为尖角形顺磁隧道)尖角间隙宽度、顺磁隧道的数量和级数，可以改变各级顺磁隧道分离富集的富氧气体的氧浓度和富氧气体量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.将长条形磁铁做成三角形或梯形，且大头间隙并行排列，能使相同截面积的磁铁间隙间磁场梯度更大化，因为两磁铁中间的磁场强度随着间距增大，磁场强度减小，而磁铁越厚其磁场强度越大；因此随着磁铁从三角形的尖角或梯形的短边到三角形磁铁的底边或梯形的长边，其磁铁厚度增加、磁铁间距减小，磁场强度增强的梯度加大，从而增强氧分子在梯度磁场中的受力而促进氮氧分子的分离。

2.截面为三角形或梯形磁铁大头间隙排列的间隙可调，间隙越小其分离富集气中提高的氧浓度比例就越高。

3.隧道长度可长可短，隧道越长其连续不断分离的次数就越多，其分离富集的富氧气浓度提高就越大。

4.采用多隧道式多级分离，充分利用初始氧浓度越高，分离富集氧浓度提高的比例就越大的原理，提高隧道顺磁分离的效率，并能通过改变分离隧道级数和隧道数量满足用户需求。

5.多级隧道顺磁分离富氧方法中，同一级别隧道出来的富氧浓度是一样的，而不同分离级别出来的富氧气其浓度不一样，用户可以在使用最高浓度级别的富氧气的同时，再利用次高浓度级别的富氧气和更次高富氧浓度级别的富氧气等，如富氧助燃中将最高浓度级别的富氧气送入燃烧中心的同时，也可以将其它浓度的富氧气送入燃烧中心外圈，充分利用有限的富氧气体。

6.多级隧道顺磁分离富氧方法运行费用极低，只需送风机送风使空气以极小的压力在顺磁隧道中以一定速度流动即可，通常只有运行费用最低的膜法富氧运行费用的几分之一到十几分之一，而且系统不需使用水，也减少了许多水阀及相应的控制电器。

7.多级隧道顺磁分离富氧方法中只需将空气送入鳄鱼嘴中的第一级顺磁分离隧道，然后自动顺次进入第二级、第三级、第四级……直到最后一级，除第一级有送风动力外，其它级别的顺磁隧道分离不再需要动力。

8.多级隧道顺磁分离富氧方法维修费用极低，只要被送入鳄鱼嘴的空气中直径在0.5μ以上的微粒除去率达到99.99％以上，磁铁间隙尖角的污染率大大降低，需要清理清洁的次数也就大大减少；而且隧道系统拆装也比较简单。

附图说明

图1是本发明实施例等腰三角形截面长条形磁铁的结构示意图

图2是本发明实施例等腰梯形截面长条形磁铁的结构示意图

图3是本发明实施例长六边支承框架示意图。

图中：1、最大的三角形截面长条磁铁 2、最大的梯形截面长条磁铁 3、最大的三角形截面三角形底边 4、最大的梯形截面长底边 5、最大的三角形截面三角腰线 6、最大的梯形截面梯形腰线 7、最大的三角形截面顶尖角 8、最大的梯形截面短边 9、最大的三角形或梯形长条磁铁间形成的三角形顺磁隧道 10、最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁组成的尖角间隙 11、次大的三角形截面长条磁铁 12、次大的梯形截面长条磁铁 13、次大的三角形截面三角形底边 14、次大的梯形截面长底边 15、次大的三角形截面三角腰线 16、次大的梯形截面梯形腰线 17、次大的三角形截面顶尖角 18、次大的梯形截面短边 19、最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁形成的三角形顺磁隧道 20、最大的三角形或梯形长条磁铁与第三大的三角形或梯形长条磁铁间形成的尖角间隙 21、第三大的三角形截面长条磁铁 22、第三大的梯形截面长条磁铁 23、第三大的三角形截面三角形底边 24、第三大的梯形截面长底边 25、第三大的三角形截面三角腰线 26、第三大的梯形截面梯形腰线 27、第三大的三角形截面顶尖角 28、第三大的梯形截面短边 29、最高浓度富氧气通道 30、最大的两相邻三角形或梯形长条磁铁组成的尖角间隙 31、鳄鱼嘴 32、长六边支承框架 33、间隙调节器

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明更进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括多个截面为等腰三角形或等腰梯形的长条形高强磁力的永久性磁铁分层分级堆积组成，并由长六边支承框架32支承固定；长条形磁铁的两侧分别为N极和S极，三角形或梯形长条形磁铁大小不一样，最大的三角形截面长条磁铁1中最大的三角形截面三角形底边3或最大的梯形截面长条磁铁2中最大的梯形截面长底边4间隔间隙地异极相对地排成一条直线(或者一条折线)，而且最大的两相邻三角形或梯形长条磁铁组成的尖角间隙30宽度由间隙调节器33调节，调节其间隙宽度可改变分离富集的富氧气浓度和富氧量；次大的三角形截面长条磁铁11或次大的梯形截面长条磁铁12按最大的长条磁铁方向一致异极相对地间隔间隙地放置在最大的长条磁铁之间，组成最大的三角形或梯形长条磁铁间形成的三角形顺磁隧道9，次大的三角形截面长条磁铁11中次大的三角形截面三角形底边13或次大的梯形截面长条磁铁12中次大的梯形截面长底边14基本在同一水平上，其最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁组成的尖角间隙10宽度由间隙调节器33调节，调节其间隙宽度可改变分离富集的富氧气浓度和富氧量；同样，第三大的三角形截面长条磁铁21或第三大的梯形截面长条磁铁22按最大的长条磁铁方向一致异极相对地间隔间隙地放置在次大的长条磁铁与最大的长条磁铁之间，组成最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁形成的三角形顺磁隧道19，且第三大的三角形截面长条磁铁21中第三大的三角形截面三角形底边23或第三大的梯形截面长条磁铁22中第三大的梯形截面长底边24基本在同一水平上，其最大的三角形或梯形长条磁铁与第三大的三角形或梯形长条磁铁间形成的尖角间隙20宽度由间隙调节器33调节，调节其间隙宽度可改变分离富集的富氧气浓度和富氧量；以此类排可以根据需要组装更多级的多级三角形隧道组A；同样组装另一组排列相同数量一样的多级三角形隧道组B，两组相同的三角形隧道组AB以三角形尖角相对或梯形短边相对并对称放置，组成鳄鱼嘴31式的对称多级隧道式顺磁分离富氧装置。每两相邻磁铁间均有一个三角形(或三角尖角)的与长条磁铁一样长的三角形隧道(鳄鱼嘴31中间的为尖角形隧道)，每个三角形隧道或尖角形隧道都是一级梯度磁场分离隧道。

空气从两组对称放置的鳄鱼嘴31送入，前进中经过并列的多个隧道尖角即最大的三角形或梯形长条磁铁与第三大的三角形或梯形长条磁铁间形成的尖角间隙20，氧气分子在前进中不断在梯度磁场顺磁力的作用下，向磁场梯度增强的最大的三角形或梯形长条磁铁与第三大的三角形或梯形长条磁铁间形成的尖角间隙20移动富集，同时氮气分子在前进中受抗磁力的作用不断远离最大的三角形或梯形长条磁铁与第三大的三角形或梯形长条磁铁间形成的尖角间隙20，因此，最大的三角形或梯形长条磁铁与第三大的三角形或梯形长条磁铁间形成的尖角间隙20的氧浓度不断增高，并在前进中的送风力作用下不断穿过最大的三角形或梯形长条磁铁与第三大的三角形或梯形长条磁铁间形成的尖角间隙20进入下一个三角形隧道即最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁形成的三角形顺磁隧道19，形成第一级分离富集的富氧空气，其富氧浓度高于进入鳄鱼嘴31的初始空气的氧浓度；在最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁形成的三角形顺磁隧道19中不断前进的第一级分离富集的富氧空气，连续受到第二级三角形隧道即最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁形成的三角形顺磁隧道19中的梯度磁场顺磁力的作用，高浓度氧分子不断移向第二级三角形隧道即最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁形成的三角形顺磁隧道19的尖角间隙即最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁组成的尖角间隙10，不断穿过最大的三角形或梯形长条磁铁与次大的三角形或梯形长条磁铁组成的尖角间隙10进入第三级三角形隧道即最大的三角形或梯形长条磁铁间形成的三角形顺磁隧道9，形成第二级分离富集的富氧空气，其富氧浓度高于第一级分离富集的富氧空气；在最大的三角形或梯形长条磁铁间形成的三角形顺磁隧道9中前进的第二级分离富集的富氧空气，连续受到第三级三角形隧道即最大的三角形或梯形长条磁铁间形成的三角形顺磁隧道9中的梯度磁场顺磁力的作用，更高浓度氧分子不断移向第三级三角形隧道即最大的三角形或梯形长条磁铁间形成的三角形顺磁隧道9的尖角间隙即最大的两相邻三角形或梯形长条磁铁组成的尖角间隙30，并不断穿过最大的两相邻三角形或梯形长条磁铁组成的尖角间隙30进入最高浓度富氧气通道29，形成第三级分离富集的富氧空气，其富氧浓度又高于第二级分离富集的富氧空气。最后从长条三角形隧道出来的各级浓度富氧空气和最高浓度富氧气通道29出来的富氧气体，可以分别引至使用地；在同一级别的三角形隧道出来的富氧气浓度是一样的，但不同级别的三角形隧道出来的富氧气浓度不一样，从最高浓度富氧气通道29依次往鳄鱼嘴31其氧浓度逐级递减。

改变截面为等腰三角形或等腰梯形长条形磁铁的长度即顺磁隧道长度、各三角形顺磁隧道(鳄鱼嘴间为尖角形顺磁隧道)尖角间隙宽度、顺磁隧道的数量和级数、以及初始空气的流速流量，可以改变各级顺磁隧道分离富集的富氧气体的氧浓度和富氧气体量。

Claims

1.多级隧道式顺磁分离富氧装置，包括多个截面为等腰三角形或等腰梯形的长条形永久性磁铁分层分级堆积，并由支承框架支承固定；长条形永久性磁铁的两侧分别为N极和S极，最大的长条磁铁其三角形底边或最大的长条磁铁其梯形的长底边间隔间隙地异极相对地排成一条直线或者一条折线，而且其尖角间隙宽度由间隙调节器调节；次大的三角形长条磁铁或次大的梯形长条磁铁按最大的长条磁铁方向一致异极相对地间隔间隙地放置在最大的长条磁铁之间，组成三角形顺磁隧道，次大的长条磁铁其三角形底边或次大的长条磁铁其梯形长底边基本在同一水平上，其底边与最大的长条磁铁腰间的尖角间隙宽度由间隙调节器调节；同样，第三大的三角形长条磁铁或第三大的梯形长条磁铁按最大的长条磁铁方向一致异极相对地间隔间隙地放置在次大的长条磁铁与最大的长条磁铁之间，组成三角形顺磁隧道，且第三大的长条磁铁其三角形底边或第三大的长条磁铁其梯形长底边基本在同一水平上，其底边与次大的长条磁铁和最大的长条磁铁腰间的尖角间隙宽度由间隙调节器调节；以此类排可以根据需要组装更多级的多级三角形隧道组A；同样组装另一组排列相同、数量一样的多级三角形隧道组B，两组相同的三角形隧道组A和B以三角形尖角相对或梯形短边相对并对称放置，组成鳄鱼嘴式的对称多级隧道式顺磁分离富氧装置。

2.如权利要求1所述的多级隧道式顺磁分离富氧装置，其特征在于：所述的支承框架为长六边支承框架。

3.如权利要求1或2所述的多级隧道式顺磁分离富氧装置，其特征在于：所述的不同层级间的长条磁铁间设置间隙调节器。