CN106326673A - 一种基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法，包括以下步骤：S1、在入膜气体温度以及膜出气口氧浓度相同的条件下，分别测量出在膜出气口的氧气的气体流量值不同的情况下，所需的入膜气体压力的不同值；S2、根据不同的膜出气口的氧气的气体流量值以及不同的入膜气体压力值，计算出β₀和β₁的值；S3、得出函数关系式y＝β₀+β₁x；S4、测量出在膜出气口氧浓度以及膜出气口的氧气的气体流量值相同的情况下，入膜气体温度不同时所需的入膜气体压力的不同值；S5、根据步骤S3中得到的入膜气体压力的不同值计算出公差d；S6、得出函数关系式y_T＝y_t+(T‑t)d；S7、根据函数关系式y＝β₀+β₁x以及y_T＝y_t+(T‑t)d计算实际情况下所需的入膜气体的压力值。

Description

一种基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法

技术领域

本发明涉及空气氮氧分离技术领域，尤其涉及一种基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法。

背景技术

氮气占比78％，氧气占比21％，其余1％的其他气体构成我们人类生存的空气。随着人类的发展和科技的进步，现发明基于一种高分子材料中空纤维膜进行分离空气中氮氧成分，并且通过一种有效的控制方法任意调出气口的氮氧气体浓度比例。空气压缩压缩空气后进入中空纤维膜进气口，膜有两个出气口，一个是富氮出气口(即富氮口)另一个是富氧出气口(即富氧口)。经过有关科研从事者的不懈努力，得出影响中空纤维膜工作效率的主要因素是入膜气体温度、入膜气体压力、出口气体流量。在中空纤维膜的实际使用过程中，一般是要求恒定膜出气口的气体氧浓度，而去改变入膜气体温度、入膜气体压力和出气口流量。针对中空纤维膜使用各行业中，而现有技术研究没有找到入膜气体温度、入膜气体压力、出口气体流量影响出气口气体氧浓度值的关系，因而无法实现自动化无极稳定控制。而目前国内外采用是粗糙的点对点控制，需针对每一根膜进行大量的实测，取得压力、流量、浓度、温度的对应点。本发明所阐述的就是通过将入膜气体温度、入膜气体压力、出口气体流量等影响中空纤维膜出气口气体浓度的因素构建一种数学模型。通过建立的数学模型实现简单有效、稳定性好、控制出气口气体浓度误差低的自动化闭环控制。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法。

本发明提出的基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法，包括以下步骤：

S1、在进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t₀、中空纤维膜出气口处的氧浓度为C₀的条件下，分别测量出将中空纤维膜出气口处氧气的气体流量值设定为x₁、x₂、x₃……x_n时，所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y₁、y₂、y₃……y_n；

S2、将x₁、x₂、x₃……x_n、y₁、y₂、y₃……y_n代入下述公式，计算出β₀和β₁的值；所述公式为：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i{y}_i-n\stackrel{\‾}{x}\stackrel{\‾}{y}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x_i}^2-n{\stackrel{\‾}{x}}^2};$

${\mathrm{\β}}_0=\stackrel{\‾}{y}-{\mathrm{\β}}_1\stackrel{\‾}{x};$

其中，

S3、得出进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y与中空纤维膜出气口处氧气的气体流量x的函数关系式：

y＝β₀+β₁x；

S4、测量出当进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t₁₁、中空纤维膜出气口处的氧浓度为C₁₁、中空纤维膜出气口处氧气的气体流量为x₁₁时，所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t11；且测量出当进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t₂₂、中空纤维膜出气口处的氧浓度为C₁₁、中空纤维膜出气口处氧气的气体流量为x₁₁时，所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t22；

S5、计算出公差d；其中，d＝|y_t22-y_t11|；

S6、得出进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为T时所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_T与进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t时所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t的函数关系式：

y_T＝y_t+(T-t)d；

S7、根据公式

y＝β₀+β₁x

及

y_T＝y_t+(T-t)d

即可在给定中空纤维膜出气口处的氧浓度、中空纤维膜出气口处氧气的气体流量时，通过计算对比温度t下所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t的值，计算出实际温度T下所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_T的值。

优选地，为验证通过公式y_t＝β₀+β₁x求得的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力值是否存在较大误差，可以引入相关系数R进行论证：

$R=\sqrt{R^2}=\frac{n\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i{y}_i-\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i\right)\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y}_i\right)}{\sqrt{n\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x_i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i\right)}^2}\sqrt{n\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y_i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y}_i\right)}^2}};$

求得的相关系数R的值越接近数值1，表明通过公式y_t＝β₀+β₁x求得的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力值越精确。

优选地，在步骤S1中，对中空纤维膜出气口处氧气的气体流量值进行设定时，设定的原则为所设定的气体流量值在用户选取的区间范围内跨度尽可能大。

优选地，通过设置温度传感器来检测进入所述中空纤维膜进气口的测定气体的温度。

优选地，通过设置电气流量比例阀或流量调节阀来检测中空纤维膜出气口处氧气的气体流量大小。

本发明首先将进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度以及中空纤维膜出气口处的氧浓度控制为固定值，通过改变中空纤维膜出气口处氧气的气体流量值的大小，以测量出所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力的不同值；再根据上述不同的中空纤维膜出气口处氧气的气体流量以及进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力的不同值，建立线性回归方程以最小二乘法求得中空纤维膜出气口处氧气的气体流量与进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力之间的函数关系式；考虑到不同厂家生产的中空纤维膜在性能上和材料上有所差异，本发明首先通过人工手动测量结果计算出中空纤维膜出气口处氧气的气体流量与进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力之间的函数关系式，上述确定的函数关系式不仅为接下来的操作和计算提供准确的参考依据，而且节约了大量的计算时间；其次，本发明将中空纤维膜出气口处的氧浓度以及中空纤维膜出气口处氧气的气体流量设为固定值，通过选取两个不同的进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度值，以得出在进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度不同的情况下，所需的不同的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力，并根据进入中空纤维膜进气口的测定气体温度的不同值以及所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体压力的不同值，得出进入中空纤维膜进气口的测定气体温度与所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力的函数关系式；最后，根据中空纤维膜出气口处氧气的气体流量与进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力之间的函数关系式，以及，进入中空纤维膜进气口的测定气体温度与所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力的函数关系式，即可计算出在实际应用过程中所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力值。且本发明中还设有检验步骤，通过根据公式和计算结果计算出相关系数，并将上述相关系数值与数值1进行比较，即可得出利用本发明提出的方法求得的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力值是否精确，通过多次实际计算和验证，利用本发明提出的方法求得的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力值精确度较高，具有良好的实用性和适用性。

附图说明

图1为一种基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法的步骤示意图。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明提出的一种基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法。

参照图1，本发明提出的基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法，包括以下步骤：

S1、在进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t₀、中空纤维膜出气口处的氧浓度为C₀的条件下，分别测量出将中空纤维膜出气口处氧气的气体流量值设定为x₁、x₂、x₃……x_n时，所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y₁、y₂、y₃……y_n；对中空纤维膜出气口处氧气的气体流量值进行设定时，设定的原则为所设定的气体流量值在用户选取的区间范围内跨度尽可能大，如此可保证计算数据和结果的准确性和可对比性，防止所设定的气体流量值在选值时跨度过小造成计算数据和结果相近的情况发生，影响对计算数据和结果的分析。并且，在对中空纤维膜出气口处氧气的气体流量值进行设定时，气体流量值的个数n在设定时，个数过多时会导致计算过程繁杂，个数过少时会影响数据数据失真，因此气体流量值的个数n在设定时应适中，根据实际需要选取合适的个数。

S2、将x₁、x₂、x₃……x_n、y₁、y₂、y₃……y_n代入下述公式，计算出β₀和β₁的值；所述公式为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i{y}_i-n\stackrel{\‾}{x}\stackrel{\‾}{y}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x_i}^2-n{\stackrel{\‾}{x}}^2}\\ {\mathrm{\β}}_0=\stackrel{\‾}{y}-{\mathrm{\β}}_1\stackrel{\‾}{x};\end{array};$

其中，

其中，

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i{y}_i-n\stackrel{\‾}{x}\stackrel{\‾}{y}=x_1{y}_1+x_2{y}_2+\mathrm{......}+x_n{y}_n-(x_1+x_2+\mathrm{......}+x_n)\frac{y_1+y_2+\mathrm{......}+y_n}{n};$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x_i}^2-n{\stackrel{\‾}{x}}^2={x_1}^2+{x_2}^2+\mathrm{......}+{x_n}^2-n{\left(\frac{x_1+x_2+\mathrm{......}+x_n}{n}\right)}^2;$

${\mathrm{\β}}_1=\frac{x_1{y}_1+x_2{y}_2+\mathrm{......}+x_n{y}_n-(x_1+x_2+\mathrm{......}+x_n)\frac{y_1+y_2+\mathrm{......}+y_n}{n}}{{x_1}^2+{x_2}^2+\mathrm{......}+{x_n}^2-n{\left(\frac{x_1+x_2+\mathrm{......}+x_n}{n}\right)}^2};$

${\mathrm{\β}}_0=\frac{y_1+y_2+\mathrm{......}+y_n}{n}-\frac{x_1+x_2+\mathrm{......}{x}_n}{n}\×\frac{x_1{y}_1+x_2{y}_2+\mathrm{......}+x_n{y}_n-(x_1+x_2+\mathrm{......}+x_n)\frac{y_1+y_2+\mathrm{......}+y_n}{n}}{{x_1}^2+{x_2}^2+\mathrm{......}+{x_n}^2-n{\left(\frac{x_1+x_2+\mathrm{......}+x_n}{n}\right)}^2};$

S3、得出进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y与中空纤维膜出气口处氧气的气体流量x的函数关系式：

y＝β₀+β₁x；

S4、测量出当进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t₁₁、中空纤维膜出气口处的氧浓度为C₁₁、中空纤维膜出气口处氧气的气体流量为x₁₁时，所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t11；且测量出当进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t₂₂、中空纤维膜出气口处的氧浓度为C₁₁、中空纤维膜出气口处氧气的气体流量为x₁₁时，所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t22；

S5、计算出公差d；其中，d＝|y_t22-y_t11|；

S6、得出进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为T时所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_T与进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t时所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t的函数关系式：

y_T＝y_t+(T-t)d；

S7、根据公式

y＝β₀+β₁x

及

y_T＝y_t+(T-t)d

即可在给定中空纤维膜出气口处的氧浓度、中空纤维膜出气口处氧气的气体流量时，通过计算对比温度t下所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t的值，计算出实际温度T下所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_T的值。

进一步地，为验证通过公式y_t＝β₀+β₁x求得的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力值是否存在较大误差，可以引入相关系数R进行论证：

$R=\sqrt{R^2}=\frac{n\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i{y}_i-\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i\right)\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y}_i\right)}{\sqrt{n\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x_i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i\right)}^2}\sqrt{n\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y_i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y}_i\right)}^2}};$

求得的相关系数R的值越接近数值1，表明通过公式y_t＝β₀+β₁x求得的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力值越精确。

本实施方式中，通过设置温度传感器来检测进入所述中空纤维膜进气口的测定气体的温度；以及通过设置电气流量比例阀或流量调节阀来检测中空纤维膜出气口处氧气的气体流量大小。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t₀、中空纤维膜出气口处的氧浓度为C₀的条件下，分别测量出将中空纤维膜出气口处氧气的气体流量值设定为x₁、x₂、x₃……x_n时，所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y₁、y₂、y₃……y_n；

S2、将x₁、x₂、x₃……x_n、y₁、y₂、y₃……y_n代入下述公式，计算出β₀和β₁的值；所述公式为：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i{y}_i-n\stackrel{\‾}{x}\stackrel{\‾}{y}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x_i}^2-n{\stackrel{\‾}{x}}^2};$

${\mathrm{\β}}_0=\stackrel{\‾}{y}-{\mathrm{\β}}_1\stackrel{\‾}{x};$

其中，

S3、得出进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y与中空纤维膜出气口处氧气的气体流量x的函数关系式：

y＝β₀+β₁x；

S4、测量出当进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t₁₁、中空纤维膜出气口处的氧浓度为C₁₁、中空纤维膜出气口处氧气的气体流量为x₁₁时，所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t11；且测量出当进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t₂₂、中空纤维膜出气口处的氧浓度为C₁₁、中空纤维膜出气口处氧气的气体流量为x₁₁时，所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t22；

S5、计算出公差d；其中，d＝|y_t22-y_t11|；

S6、得出进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为T时所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_T与进入中空纤维膜进气口的测定气体的温度为t时所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t的函数关系式：

y_T＝y_t+(T-t)d；

S7、根据公式

y＝β₀+β₁x

及

y_T＝y_t+(T-t)d

即可在给定中空纤维膜出气口处的氧浓度、中空纤维膜出气口处氧气的气体流量时，通过计算对比温度t下所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_t的值，计算出实际温度T下所需的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力y_T的值。

2.根据权利要求1所述的基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法，其特征在于，为验证通过公式y_t＝β₀+β₁x求得的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力值是否存在较大误差，可以引入相关系数R进行论证：

$R=\sqrt{R^2}=\frac{n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\right)}{\sqrt{n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x_i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2}\sqrt{n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y_i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\right)}^2}};$

求得的相关系数R的值越接近数值1，表明通过公式y_t＝β₀+β₁x求得的进入中空纤维膜进气口的测定气体的压力值越精确。

3.根据权利要求1所述的基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法，其特征在于，在步骤S1中，对中空纤维膜出气口处氧气的气体流量值进行设定时，设定的原则为所设定的气体流量值在用户选取的区间范围内跨度尽可能大。

4.根据权利要求1所述的基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法，其特征在于，通过设置温度传感器来检测进入所述中空纤维膜进气口的测定气体的温度。

5.根据权利要求1所述的基于中空纤维膜实现空气氮氧分离的方法，其特征在于，通过设置电气流量比例阀或流量调节阀来检测中空纤维膜出气口处氧气的气体流量大小。