CN109422248B

CN109422248B - 一种空气分离装置

Info

Publication number: CN109422248B
Application number: CN201710715517.2A
Authority: CN
Inventors: 刘伟; 王海波; 廖昌建; 孟凡飞; 李经伟
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: Sinopec Dalian Petrochemical Research Institute Co ltd; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2017-08-20
Filing date: 2017-08-20
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2037-08-20
Also published as: CN109422248A

Abstract

本发明公开了一种空气分离装置，所述空气分离装置包括引气段和富氧分离段，所述引气段一侧设有气体入口，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氧气分离收集筒和固定轴，氧气分离收集筒与富氧分离段的壳体形成同心套筒结构，所述固定轴与鼓风机固定连接，所述氧气分离收集筒内设置有一个以上的富氧组件。所述氧气分离装置具有安全可靠、设备简单、操作费用低、节能效果明显等优点。

Description

一种空气分离装置

技术领域

本发明涉及气体分离领域，特别是涉及一种空气中氧气分离装置。

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、纯度即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空气分离装置，所述空气分离装置能够起到富氧、除湿的作用，同时兼有设备简单、安全可靠、投资费用低等优点。

本发明提供一种空气分离装置，所述空气分离装置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气体入口，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氧气分离收集筒和固定轴，所述固定轴与鼓风机固定连接，所述氧气分离收集筒与富氧分离段的壳体形成同心套筒结构，所述氧气分离收集筒的一端设置有挡板，用于阻止气流直接进入氧气分离收集筒，氧气分离收集筒的另一端固定于富氧分离段尾部的壳体上，所述挡板与固定轴固定连接，挡板距离富氧分离段气流入口端20~60mm，优选30~50mm；所述氧气分离收集筒内设置有一个以上的富氧组件，富氧组件固定于固定轴上，所述氧气分离收集筒的筒壁上开设有孔，开孔率为30%~50%，所述氧气分离收集筒的筒壁外部间隔设置有电晕组件，所述电晕组件包括若干个固定于氧气分离收集筒的筒壁外部的电晕棒，所述电晕棒沿氧气分离收集筒外径方向均匀分布，电晕棒设置在氧气分离收集筒孔间隙之间，所述若干个电晕棒的一端固定在氧气分离收集筒的外壁上，另一端沿氧气分离收集筒径向伸向富氧分离段的壳体，且与富氧分离段的壳体内表面之间设置有间隙，所述电晕棒靠近富氧分离段的壳体的一端与富氧分离段的壳体内表面的之间的距离为10~50mm，优选15~35mm。

上述空气分离装置中，所述引气段、鼓风机、氧气分离收集筒、挡板、固定轴、富氧分离段为同中心轴。

上述空气分离装置中，所述富氧组件包括磁组件和叶轮，磁组件为圆环柱体结构，磁组件固定在固定轴上，如可以通过铆钉固定于固定轴上，所述磁组件的长度为固定轴半径的3~10倍，优选5~8倍。

上述空气分离装置中，所述富氧分离段内的富氧组件上设置有叶轮，叶轮固定于磁组件上，所述叶轮包括2～8片叶片，优选4-6片叶片，所述叶片均匀分布于磁组件外表面上。

上述空气分离装置中，所述富氧分离段内设置有磁场变换组件，按照气体流动方向，所述磁场变换组件设置于富氧组件后方，富氧组件与磁场变换组件间隔设置。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极与富氧组件的磁组件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；磁场变换组件与富氧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固定轴上。

上述空气分离装置中，所述固定轴与鼓风机的转动轴固定连接，由鼓风机转动轴带动固定轴一起转动。

上述空气分离装置中，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。

上述空气分离装置中，所述鼓风机可采用轴流风机、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。

上述空气分离装置中，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，氧气分离收集筒、气流挡板材质可采用塑料、橡胶等透磁材料。

与现有技术相比，本发明所述空气分离装置具有如下优点：

本发明所述空气分离装置通过在富氧分离段设置电晕棒，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；空气分离装置中设置叶轮有利于富氧气流从磁场中分离，解决了富氧容易脱氧难的问题；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30%~35%。

本发明所述空气分离装置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。

本发明所述空气分离装置具有安全可靠、设备简单、投资低等特点。

附图说明

图1 是本发明空气分离装置的一种实施方式结构示意图。

图2是叶轮、磁组件与固定轴的连接示意图。

图3是磁组件磁场分布示意图。

图4是空气分离装置A-A剖面侧视图。

图5是本发明空气分离装置的第二种实施方式结构示意图。

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和图4所示，本发明提供了一种空气分离装置，所述分离装置按照气体流动方向包括引气段15和富氧分离段16，所述引气段15一侧设有气体入口1，富氧分离段16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15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15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、圆形管道风机，鼓风机3固定于引气段15的壳体上，优选鼓风机3的轴与引气段15的中心线重合。所述鼓风机3的入口压力为-0.1kPa～-0.5 kPa，优选为-0.1kPa～-0.3 kPa；鼓风机3的出口压力为5kPa～20kPa，优选为8kPa～15kPa。所述富氧分离段16内设置有氧气分离收集筒6和固定轴11，所述固定轴11与鼓风机3固定连接，由鼓风机3转动轴带动固定轴11一起转动。所述氧气分离收集筒6与富氧分离段16的壳体形成同心套筒结构，所述氧气分离收集筒6的一端设置有挡板12，用于阻止气流直接进入氧气分离收集筒6，氧气分离收集筒6的另一端固定于富氧分离段16尾部的壳体上，所述挡板12与固定轴11固定连接，挡板12距离富氧分离段气流入口端20~60mm，优选30~50mm；所述氧气分离收集筒6内设置有一个以上的富氧组件14，富氧组件14固定于固定轴11上，所述富氧组件14包括磁组件4和叶轮10，磁组件4为圆环柱体结构，磁组件4通过铆钉固定在固定轴11上，磁组件4的长度为固定轴半径的3~10倍，优选5~8倍。叶轮10固定于磁组件4上，所述叶轮10包括2～8片叶片，优选4-6片叶片，所述叶片均布于磁组件4外表面上。所述氧气分离收集筒6的筒壁上开设有孔，开孔率为30%~50%，所述氧气分离收集筒6的筒壁外部间隔设置有电晕组件5，所述电晕组件5包括若干个固定于氧气分离收集筒6的筒壁外部的电晕棒17，所述电晕棒17沿氧气分离收集筒6外径方向均匀分布，电晕棒17设置在氧气分离收集筒6孔间隙之间，所述若干个电晕棒17的一端固定在氧气分离收集筒6的外壁上，另一端沿氧气分离收集筒6径向伸向富氧分离段16的壳体，且与富氧分离段16的壳体内表面之间设置有间隙，所述电晕棒17靠近富氧分离段16的壳体的一端与富氧分离段16的壳体内表面的之间的距离为10~50mm，优选15~35mm。

如图5所示，本发明提供第二种形式的空气分离装置，与图1所示的空气分离装置相比，该空气分离装置富氧分离段16内还设置有磁场变换组件13，按照气体流动方向，所述磁场变换组件13设置于富氧组件14后方，富氧组件14与磁场变换组件13依次间隔设置。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极与富氧组件14的磁组件S极对应安装。所述磁场变换组件13的长度为磁组件4长度的1/3~2/3，优选为1/2；磁场变换组件13与富氧组件14两者的中心距离为磁组件4长度1~3倍，优选1.5~2倍，磁场变换组件13可以通过铆钉固定在固定轴11上。

本发明所述空气分离装置工作过程如下：空气通过空气分离装置内的鼓风机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，增压气体流经气流挡板12改变气流方向，流经电晕组件5发生电离作用，使得部分气体带电，有利于氧气富集，电离的空气流经富氧组件14，由于氧气的顺磁性使得氧气向环形磁组件4的表面富集，富氧气体在叶轮10的推动作用下，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，富氧气体依次进入下一个电离-磁场富氧阶段，富氧气流由出口8排出；进入磁场的氮气因逆磁性和叶轮10离心力的作用而通过氧气分离收集筒6的筛孔向壳体9方向聚集，富氮气流由出口7排出。

实施例1

采用图1空气分离装置，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10kPa。氧气分离收集筒6的筒壁上开设有圆孔，开孔率为45%。磁组件4的长度为固定轴半径的8倍。叶轮10叶片6片，电晕棒17沿氧气分离收集筒6外径方向均匀分布，电晕棒17靠近富氧分离段16的壳体9的一端与富氧分离段16的壳体9内表面的之间的距离为15mm。空气经过过滤器2过滤后，由鼓风机3增压至10kPa，进入电离-磁场富氧段，电离-磁场富氧段设置4级，空气经过电离-磁场富氧后富氧气流氧气浓度为30%。磁法富氧能耗为0.0025kW·h/Nm³。

实施例2

采用图5空气分离装置，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8kPa。氧气分离收集筒6的筒壁上开设有圆孔，开孔率为50%。磁组件4的长度为固定轴半径的8倍。叶轮10叶片6片，电晕棒17沿氧气分离收集筒6外径方向均匀分布，电晕棒17靠近富氧分离段16的壳体9的一端与富氧分离段16的壳体9内表面的之间的距离为15mm。磁场变换组件13采用磁屏蔽体，磁场变换组件13的长度为富氧组件14长度的1/2；磁场变换组件13与富氧组件14两者的中心距离为磁组件4长度2倍。空气经过过滤器2过滤后，由鼓风机3增压至10kPa，进入电离-磁场富氧段，电离-磁场富氧段设置4级，空气经过电离-磁场富氧后富氧气流氧气浓度为33.5%。在富氧分离段16设置磁屏蔽体，解决了磁法富氧过程中氧气从磁场中分离难的问题，可有效降低富氧过程的能耗。磁法富氧能耗为0.0023kW·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

1.一种空气分离装置，所述空气分离装置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气体入口，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氧气分离收集筒和固定轴，所述固定轴与鼓风机固定连接，所述氧气分离收集筒与富氧分离段的壳体形成同心套筒结构，所述氧气分离收集筒的一端设置有挡板，用于阻止气流直接进入氧气分离收集筒，氧气分离收集筒的另一端固定于富氧分离段尾部的壳体上，所述挡板与固定轴固定连接，所述氧气分离收集筒内设置有一个以上的富氧组件，富氧组件固定于固定轴上，所述氧气分离收集筒的筒壁上开设有孔，所述氧气分离收集筒的筒壁外部间隔设置有电晕组件，所述电晕组件包括若干个固定于氧气分离收集筒的筒壁外部的电晕棒，所述电晕棒沿氧气分离收集筒外径方向均匀分布，电晕棒设置在氧气分离收集筒孔间隙之间，所述若干个电晕棒的一端固定在氧气分离收集筒的外壁上，另一端沿氧气分离收集筒径向伸向富氧分离段的壳体，且与富氧分离段的壳体内表面之间设置有间隙；所述富氧分离段内设置有磁场变换组件，按照气体流动方向，所述磁场变换组件设置于富氧组件后方，富氧组件与磁场变换组件间隔设置。

2.按照权利要求1所述的空气分离装置，其中，所述富氧组件包括磁组件和叶轮，磁组件为圆环柱体结构，磁组件固定在固定轴上，叶轮固定于磁组件上。

3.按照权利要求2所述的空气分离装置，其中，所述磁组件的长度为固定轴半径的3~10倍。

4.按照权利要求2或3所述的空气分离装置，其中，所述磁组件的长度为固定轴半径的5~8倍。

5.按照权利要求2所述的空气分离装置，其中，所述叶轮包括2～8片叶片，所述叶片均匀分布于磁组件外表面上。

6.按照权利要求5所述的空气分离装置，其中，所述叶轮包括4-6片叶片。

7.按照权利要求1所述的空气分离装置，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。

8.按照权利要求7所述的空气分离装置，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极与富氧组件的磁组件S极对应安装。

9.按照权利要求2所述的空气分离装置，其中，所述磁场变换组件的长度为磁组件长度的1/3~2/3；磁场变换组件与富氧组件两者的中心距离为磁组件长度1~3倍，磁场变换组件固定在固定轴上。

10.按照权利要求2所述的空气分离装置，其中，所述磁场变换组件的长度为磁组件长度的1/2；磁场变换组件与富氧组件两者的中心距离为磁组件长度1.5~2倍，磁场变换组件固定在固定轴上。

11.按照权利要求1所述的空气分离装置，其中，所述固定轴与鼓风机的转动轴固定连接，由鼓风机转动轴带动固定轴一起转动。

12.按照权利要求1所述的空气分离装置，其中，挡板距离富氧分离段气流入口端20~60mm。

13.按照权利要求1或12所述的空气分离装置，其中，挡板距离富氧分离段气流入口端30~50mm。

14.按照权利要求1所述的空气分离装置，其中，氧气分离收集筒的筒壁开孔率为30%~50%。

15.按照权利要求1所述的空气分离装置，其中，所述电晕棒靠近富氧分离段的壳体的一端与富氧分离段的壳体内表面的之间的距离为10~50mm。

16.按照权利要求1所述的空气分离装置，其中，所述电晕棒靠近富氧分离段的壳体的一端与富氧分离段的壳体内表面的之间的距离为15~35mm。

17.按照权利要求1所述的空气分离装置，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。

18.按照权利要求1或17所述的空气分离装置，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，过滤网孔径为4mm ~ 8mm。

19.按照权利要求1所述的空气分离装置，其中，所述鼓风机采用轴流风机或者圆形管道风机，鼓风机固定于引气段的壳体上。

20.按照权利要求19所述的空气分离装置，其中，所述鼓风机的轴与引气段的中心线重合。

21.按照权利要求1所述的空气分离装置，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。

22.按照权利要求1或21所述的空气分离装置，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。