CN109422245B - 一种用于分离空气中氧气的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分离空气中氧气的设备，所述设备按照气体流动方向包括引气段和富氧分离段，所述引气段一侧设有空气入口，富氧分离段的壳体上设置有富氧气流出口和富氮气流出口；所述引气段内设置有空气过滤器和鼓风机；所述富氧分离段内设置有一级以上的电离富氧分离筒，电离富氧分离筒通过筛板与富氧分离段的壳体内壁固定连接，所述电离富氧分离筒为两端开口的圆筒，电离富氧分离筒的入口端与筛板固定连接，筛板的出口一侧设置有电晕组件，电离富氧分离筒外壁上设置有磁组件。本发明设备提高了氧气在磁场中的分离效果，解决了磁法富氧过程中氧气从磁场中分离难的问题。

Description

一种用于分离空气中氧气的设备

技术领域

本发明涉及气体分离领域，特别是涉及一种用于分离空气中氧气的设备。

背景技术

传统的制氧方法是空气深冷分馏法，该法可制得高纯度的氧气、氮气。但在许多场合，如废水处理、金属冶炼、化工废气处理等场合并不需要像深冷分馏法所制得的高纯度氧气，而且富氧的需用量比较大。为此，人们一直追求更为经济、简单的富氧方法，如分子筛变压吸附法、膜法富氧技术。

膜法富氧是利用富氧膜进行空气分离，富氧膜技术先进、成熟。膜分离空气的工作原理是聚合物膜的选择透过性功能，使膜与空气相接触，在膜的两侧压力差的驱动下，由于氧气分子和氮气分子透过膜的速率不同，渗透速率快的气体在渗透侧富集，渗透速率慢的气体在原料侧富集，从而实现分离提纯空气的目的。膜技术的关键是制造高通量、高选择性、使用寿命长又易于清洗的膜材料。但是在实际应用中存在粉尘、杂质等造成富氧膜的膜孔堵塞的问题，从而缩短富氧膜的使用寿命。

在分子筛上空气中的氮是被优先选择吸附的分子，变压吸附法制取富氧是沿着两条途径进行的：一方面是改善吸附剂的性能，以增大氮的吸附能力和富氮的分离系数；另一方面是改进工艺流程，根据富氧生产能力、纯度及吸附剂性能开发有各种二床、三床流程，吸附床数增加可提高产氧能力、降低总耗电量，但额外投资和床数增加的复杂性在经济上导致过于昂贵。所以目前工业上开发应用较多的是二、三床流程。由于氧氮的分离系数随压力降低而提高，故变压吸附制取富氧过程中吸附压力都比较低，常压吸附—真空解吸工艺的动力消耗要比加压吸附—常压解吸工艺低，分子筛变压吸附富氧法与富氧膜富氧相似，技术较成熟。空隙比富氧膜的空隙大，但是也同样存在分子筛孔堵塞问题。因分子筛孔堵塞必须更换，造成资源的极大浪费和费用的极大消耗。

目前磁法富氧技术是富氧燃烧节能技术制备富氧空气的最先进技术，其优点是应用范围广、使用年限长，本身耗能低、富氧空气造价低。从根本上解决了现阶段膜法富氧法、分子筛变压吸附富氧法的弊病：如富氧膜和分子筛的孔眼堵塞问题。磁法富氧的原理是利用氧分子和氮分子的不同的顺磁性和逆磁性，使得两种气体分子经过高磁磁场发生不同方向的偏转从而得到富氧空气和富氮空气，排出富氮空气，剩下的就是我们所需要的富氧空气。磁法富氧的初级富氧浓度能够达到26%--30%，并且可以多级串联，可以使得富氧浓度达到一个较高的水平。

专利CN101020569A公开了一种磁力富氧空气机，其主要由透氧层和富氧抽气泵构成，抽气泵上设置有带旋转磁场的导流罩，利用旋转磁场产生的磁力将聚集在聚氧装置上的氧气有效地导入抽气泵中，但是存在富氧浓度不高、富氧气量小等问题。

专利CN101857200A公开了一种新型组合式磁力富氧装置，富氧装置采用三级串联富氧，逐级提高氧气纯度，但在实际运行过程中存在氧气浓度越高，氧气越难从磁场脱离的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于分离空气中氧气的设备，所述设备能够起到富氧、除湿的效果，还同时具有设备简单、安全可靠、投资费用低等优点。

本发明提供一种用于分离空气中氧气的设备，所述设备按照气体流动方向包括引气段和富氧分离段，所述引气段一侧设有空气入口，富氧分离段的壳体上设置有富氧气流出口和富氮气流出口；所述引气段内设置有空气过滤器和鼓风机；所述富氧分离段内设置有一级以上的电离富氧分离筒，电离富氧分离筒通过筛板与富氧分离段的壳体内壁固定连接，所述电离富氧分离筒为两端开口的圆筒，电离富氧分离筒的入口端与筛板固定连接，其中第一级电离富氧分离筒的入口端设有盖板，防止气体通过，筛板的出口一侧设置有电晕组件，电离富氧分离筒外壁上设置有磁组件。

上述用于分离空气中氧气的设备中，所述电晕组件包括若干个固定于筛板上的电晕棒，所述电晕棒沿气流流动方向均匀分布，电晕棒固定在筛板孔间隙之间，所述电晕棒的长度为20~60mm，优选30~50mm。

上述用于分离空气中氧气的设备中，所述筛板可以直接与电离富氧分离筒的入口端固定连接，或者所述筛板经导流板与电离富氧分离筒的入口端固定连接，所述导流板为圆锥台形结构，锥台形结构导流板的小端半径与电离富氧分离筒的外半径一致，锥台形结构导流板的大端半径为其小端半径的1.1~1.4倍，优选1.2~1.3倍。所述筛板为圆环状，筛板的内环与电离富氧分离筒的入口端固定连接，筛板的外环与富氧分离段的壳体固定连接，筛板的内环半径与电离富氧分离筒的外半径一致，筛板的开孔率为30~60%，优选40~50%。

上述用于分离空气中氧气的设备中，所述磁组件固定于电离富氧分离筒外壁，如可以通过铆钉固定于电离富氧分离筒的外壁上，磁组件的内半径与电离富氧分离筒的外半径相同，磁组件的长度为电离富氧分离筒长度的1/3~3/4，优选2/3~3/4。

上述用于分离空气中氧气的设备中，所述电离富氧分离筒外壁上设置有磁场变换组件，所述磁场变换组件可以是由铁、锰及其合金构成的磁屏蔽体圆环柱体结构，也可以由磁性体构成的圆环柱体结构，当磁场变换组件为由磁性体构成的圆环柱体结构时，其S极与磁组件的S极对应安装。所述磁场变换组件的长度为磁组件长度的1/3~2/3，优选为1/2；磁场变换组件与磁组件两者的中心距离为磁组件长度1~3倍，优选1.5~2倍，磁场变换组件可以通过铆钉固定在电离富氧分离筒外壁上。

上述用于分离空气中氧气的设备中，所述电离富氧分离筒可采用橡胶、塑料等材质。

上述用于分离空气中氧气的设备中，按照气体流动方向，气流首先进入的电离富氧分离筒为第一级电离富氧分离筒，后面的依次为第二级电离富氧分离筒、第三级电离富氧分离筒、……第N-1级电离富氧分离筒，第N级电离富氧分离筒。所述电离富氧分离筒直径可以相同或不同，当直径不同时，按照气体流动方向，电离富氧分离筒直径依次减小，相邻两级电离富氧分离筒中后一级电离富氧分离筒的直径为前一级电离富氧分离筒直径的0.5~0.9倍，优选为0.6~0.8倍。如第二级电离富氧分离筒的直径为第一级电离富氧分离筒的直径的的0.5~0.9倍，优选为0.6~0.8倍。第N级电离富氧分离筒的直径为第N-1级电离富氧分离筒的直径的的0.5~0.9倍，优选为0.6~0.8倍。第N级电离富氧分离筒与第N-1级电离富氧分离筒之间的首末端间距为第N-1级电离富氧分离筒直径的0.1~0.3倍，优选为0.15~0.25倍。

上述用于分离空气中氧气的设备中，按照气体流动方向，所述电晕组件与磁组件中心的距离为磁组件长度的1~3倍，优选1.5~2.5倍，磁场变换组件与磁组件两者的中心距离为磁组件长度1~3倍，优选1.5~2倍。

上述用于分离空气中氧气的设备中，所述空气过滤器固定于引气段的壳体上，可以采用螺栓连接，空气过滤器的过滤网材质采用不锈钢丝网、无机纤维、陶瓷纤维中的一种或几种，优选不锈钢丝网，过滤网孔径为2mm ~ 10mm，优选4mm ~ 8mm。

上述用于分离空气中氧气的设备中，所述鼓风机可采用轴流风机或圆形管道风机，鼓风机固定于引气段的壳体上，优选鼓风机的轴与引气段的中心线重合。所述鼓风机的入口压力为-0.1kPa～-0.5kPa，优选为-0.1kPa～-0.3kPa；鼓风机的出口压力为5kPa～20kPa，优选为8kPa～15kPa。

上述用于分离空气中氧气的设备中，所述引气段壳体和富氧分离段壳体材料采用可以屏蔽磁场的材料，如铁、锰及其合金等。

上述用于分离空气中氧气的设备中，所述引气段、筛板、电离富氧分离筒、富氧分离段为同中心轴。

与现有技术相比，本发明所述氧气分离器具有如下优点：

本发明所述氧气分离器通过设置电晕棒，可使空气中的组分电离，尤其是电晕棒可将空气中含有的水电离，在提高了氧气富集效率的同时达到了除去空气中水份的目的，具有富氧、除湿的效果；富氧段设置多级电离-磁场富氧阶段，可提高富氧的浓度，使得富氧气流的出口浓度可达到24%~32%。

本发明所述氧气分离器通过在富氧分离段设置磁场变换组件，进而改变富氧分离段内的磁场分布和磁场强度，提高了氧气在磁场中的分离效果，解决了磁法富氧过程中氧气从磁场中分离难的问题。

本发明所述氧气分离器具有安全可靠、设备简单、投资低等特点。

附图说明

图1 是本发明氧气分离器的一种结构示意图。

图2是电离富氧分离筒示意图。

图3是磁组件磁场分布示意图。

具体实施方式

下面通过结合附图与具体实施例来进一步说明本发明的具体情况，但不限于下述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“置于”、“相连”、“连接”、“安装”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2、图3所示，本发明提供一种氧气分离器，所述氧气分离器按照气体流动方向包括引气段14和富氧分离段15，所述引气段14一侧设有空气入口1，富氧分离段15的壳体9上设置有富氧气流出口8和富氮气流出口7；所述引气段14内设置有空气过滤器2和鼓风机3；所述空气过滤器2固定于引气段14的壳体上，可以采用螺栓连接，空气过滤器2的过滤网材质采用不锈钢丝网、无机纤维、陶瓷纤维中的一种或几种，优选不锈钢丝网，过滤网孔径为2mm ~ 10mm，优选4mm ~ 8mm。所述鼓风机3可采用轴流风机或圆形管道风机，鼓风机3固定于引气段14的壳体上，优选鼓风机3的轴与引气段14的中心线重合。所述鼓风机3的入口压力为-0.1kPa～-0.5kPa，优选为-0.1kPa～-0.3kPa；鼓风机3的出口压力为5kPa～20kPa，优选为8kPa～15kPa。所述富氧分离段15内设置有一级以上的电离富氧分离筒10，电离富氧分离筒10通过筛板11与富氧分离段15的壳体9内壁固定连接，所述电离富氧分离筒10为两端开口的圆筒，所述筛板11直接与电离富氧分离筒10的入口端固定连接，或者所述筛板11经导流板6与电离富氧分离筒10的入口端固定连接，所述导流板6为圆锥台形结构，锥台形结构导流板6的小端半径与电离富氧分离筒10的外半径一致，锥台形结构导流板6的大端半径为其小端半径的1.1~1.4倍，优选1.2~1.3倍。所述筛板11为圆环状，筛板11的内环与电离富氧分离筒10的入口段固定连接，筛板11的外环与富氧分离段15的壳体9固定连接，筛板11的内环半径与电离富氧分离筒10的外半径一致，筛板11的外环半径是内环半径的1~6倍，优选2~5倍，筛板11的开孔率为30~60%，优选40~50%。其中第一级电离富氧分离筒10的入口端设有盖板12，筛板11的出口一侧设置有电晕组件5，所述电晕组件5包括若干个固定于筛板11上的电晕棒16，所述电晕棒16沿气流流动方向均匀分布，电晕棒16固定在筛板11孔间隙之间，所述电晕棒16的长度为20~60mm，优选30~50mm。电离富氧分离筒10外壁上设置有磁组件4和磁场变换组件13，所述磁组件4可以通过铆钉固定于电离富氧分离筒10的外壁上，磁组件4的内半径与电离富氧分离筒10的外半径相同，磁组件4的长度为电离富氧分离筒10长度的1/3~3/4，优选2/3~3/4。所述磁场变换组件13可以是由铁、锰及其合金构成的磁屏蔽体圆环柱体结构，也可以由磁性体构成的圆环柱体结构，当磁场变换组件13为由磁性体构成的圆环柱体结构时，其S极与磁组件的S极对应安装。所述磁场变换组件13的长度为磁组件长度的1/3~2/3，优选为1/2；磁场变换组件13与磁组件4两者的中心距离为磁组件4长度1~3倍，优选1.5~2倍，磁场变换组，13可以通过铆钉固定在电离富氧分离筒10外壁上。所述引气,14、筛板11、电离富氧分离筒10、富氧分离段15为同中心轴。

本发明所述氧气分离器工作过程如下：空气通过氧气分离器内的鼓风机3引气，由空气进口1经过空气过滤器2进入鼓风机3提压，增压气体流经电离富氧分离筒10，气体首先经过电晕组件5发生电离作用，使得部分气体带电，有利于氧气富集，电离的空气流经磁组件4，由于氧气的顺磁性使得氧气向环形磁组件4的表面富集，再流经磁场变换组件13，在磁场变换组件13的作用下，磁组件4的磁场方向发生改变，避免富氧气流在磁组件4的S极富集而难以分离，富氧气流通过导流板6的间隙向中心方向聚集，由出口8排出；进入磁场的氮气因逆磁性的作用而富氮气流由出口7排出。

实施例1

采用图1氧气分离器，空气过滤器2的过滤网材质采用不锈钢丝网，过滤网孔径为4mm，鼓风机3采用轴流风机，鼓风机3的入口压力为-0.1kPa，鼓风机3的出口压力为14kPa，电晕组件5与磁组件4中心的距离为磁组件4长度的2倍，磁场变换组件13与磁组件4两者的中心距离为磁组件4长度2倍，若干个电晕棒16的长度为40mm。筛板11的内环半径与导流板6的外半径一致，筛板11的外环半径是内环半径的3倍，筛板11的开孔率为50%。磁场变换组件13由铁合金构成的磁屏蔽体圆环柱体结构，其长度为磁组件4长度的1/2；空气经过过滤器2过滤后，由鼓风机3增压至14kPa，进入电离富氧分离筒10，电离富氧分离筒10设置4级，空气经过电离富氧分离筒10后富氧气流氧气浓度为25%。磁法富氧能耗为0.0024kW·h/Nm³。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (25)

1.一种用于分离空气中氧气的设备，所述设备按照气体流动方向包括引气段和富氧分离段，所述引气段一侧设有空气入口，富氧分离段的壳体上设置有富氧气流出口和富氮气流出口；所述引气段内设置有空气过滤器和鼓风机；所述富氧分离段内设置有多级电离富氧分离筒，电离富氧分离筒通过筛板与富氧分离段的壳体内壁固定连接，所述电离富氧分离筒为两端开口的圆筒，电离富氧分离筒的入口端与筛板固定连接，其中第一级电离富氧分离筒的入口端设有盖板，筛板的出口一侧设置有电晕组件，所述电晕组件包括若干个固定于筛板上的电晕棒，所述电晕棒沿气流流动方向均匀分布，电晕棒固定在筛板孔间隙之间；电离富氧分离筒外壁上设置有磁组件，所述电离富氧分离筒外壁上设置有磁场变换组件。

2.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述电晕棒的长度为20~60mm。

3.按照权利要求2所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述电晕棒的长度为30~50mm。

4.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述筛板直接与电离富氧分离筒的入口端固定连接或者所述筛板经导流板与电离富氧分离筒的入口端固定连接。

5.按照权利要求4所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述导流板为圆锥台形结构，锥台形结构导流板的小端半径与电离富氧分离筒的外半径一致，锥台形结构导流板的大端半径为其小端半径的1.1~1.4倍。

6.按照权利要求5所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述锥台形结构导流板的大端半径为其小端半径的1.2~1.3倍。

7.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述筛板为圆环状，筛板的内环与电离富氧分离筒的入口端固定连接，筛板的外环与富氧分离段的壳体固定连接，筛板的内环半径与电离富氧分离筒的外半径一致。

8.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，筛板的开孔率为30~60%。

9.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，筛板的开孔率为40~50%。

10.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述磁组件固定于电离富氧分离筒外壁，磁组件的内半径与电离富氧分离筒的外半径相同，磁组件的长度为电离富氧分离筒长度的1/3~3/4。

11.按照权利要求1或10所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述磁组件固定于电离富氧分离筒外壁，磁组件的内半径与电离富氧分离筒的外半径相同，磁组件的长度为电离富氧分离筒长度的2/3~3/4。

12.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述磁场变换组件是由铁、锰及其合金构成的磁屏蔽体圆环柱体结构或者是由磁性体构成的圆环柱体结构。

13.按照权利要求12所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，当磁场变换组件为由磁性体构成的圆环柱体结构时，其S极与磁组件的S极对应安装。

14.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述磁场变换组件的长度为磁组件长度的1/3~2/3，磁场变换组件与磁组件两者的中心距离为磁组件长度1~3倍。

15.按照权利要求1或14所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述磁场变换组件的长度为磁组件长度的1/2；磁场变换组件与磁组件两者的中心距离为磁组件长度1.5~2倍。

16.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述电离富氧分离筒直径相同或不同，当直径不同时，按照气体流动方向，电离富氧分离筒直径依次减小，后一级电离富氧分离筒的直径为前面一级电离富氧分离筒直径的0.5~0.9倍。

17.按照权利要求1或16所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述电离富氧分离筒直径相同或不同，当直径不同时，按照气体流动方向，电离富氧分离筒直径依次减小，后一级电离富氧分离筒的直径为前面一级电离富氧分离筒直径的0.6~0.8倍。

18.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，按照气体流动方向，所述电晕组件与磁组件中心的距离为磁组件长度的1~3倍，磁场变换组件与磁组件两者的中心距离为磁组件长度1~3倍。

19.按照权利要求1或18所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，按照气体流动方向，所述电晕组件与磁组件中心的距离为磁组件长度的1.5~2.5倍，磁场变换组件与磁组件两者的中心距离为磁组件长度1.5~2倍。

20.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述空气过滤器固定于引气段的壳体上，空气过滤器的过滤网材质采用不锈钢丝网、无机纤维、陶瓷纤维中的一种或几种，过滤网孔径为2mm ~ 10mm。

21.按照权利要求20所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述空气过滤器的过滤网材质采用不锈钢丝网，过滤网孔径为4mm ~ 8mm。

22.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述鼓风机可采用轴流风机或圆形管道风机，鼓风机固定于引气段的壳体上。

23.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述鼓风机的轴与引气段的中心线重合。

24.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述鼓风机的入口压力为-0.1kPa～-0.5kPa，鼓风机的出口压力为5kPa～20kPa。

25.按照权利要求1所述的用于分离空气中氧气的设备，其中，所述鼓风机的入口压力为-0.1kPa～-0.3kPa；鼓风机的出口压力为8kPa～15kPa。

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