CN110589772A - 一种氧分离装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧分离装置及工艺。本发明的氧分离装置以混合导体透氧膜为基础搭建，包括空气加压系统、氧分离系统、抽真空系统和必要的管路、阀门、储气罐，本发明可以直接利用大气中的空气分离得到纯度高达99.99％的氧气，不仅能实现连续生产高纯度氧气，满足大规模供氧需求，还能做成易于移动、方便灵活的中、小型直接供氧装置，占地面积小，操作工艺简便，运行可靠，透氧膜材料使用寿命长。与现有技术相比，本发明装置以廉价的空气为原料，可以连续制备纯度为99.99％的高纯度氧气，能够实现24小时不间断提供氧气，满足工业以及实验室需要，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧分离装置及工艺，尤其涉及一种多通道混合导体透氧膜的氧分离装置及工艺，属于混合导体透氧膜应用技术领域。
背景技术
目前工业上应用较多的制氧方法有两种，一是低温空气分离制氧：特点是产量大、氧气纯度高，同时可生产氮气、氩气等其他气体和液体，但能耗大、成本高；二是变压吸附制氧：特点是纯度低(纯度大于92％)，产量较小，但成本低。对于大规模制氧，深冷制氧技术虽然技术相对成熟，但过程中却会消耗大量的电厂能量，占煤燃烧电厂投资成本的15％，且能耗不可能有阶梯式的下降。而变压吸附制氧设备则存在产能较低的缺点，产氧规模相对较小，最多只能达到150吨/天，且氧气纯度较低，仅为90-95％。混合导体氧分离技术与传统的深冷制氧技术相比，投资成本降低了25-30％，生产氧气的操作成本降低了30％，能量消耗降低了35-60％，并且可以和其他的高温过程结合起来，进行紧凑设计，减少占地面积。相对于变压吸附制氧技术，混合导体氧分离技术产氧量可以达到3000吨/天，且氧气纯度高达99.99％。不管是装置的设备投资费用还是能耗费用，混合导体氧分离装置都比深冷制氧装置和变压吸附制氧装置低很多，利用混合导体氧渗透膜搭建的氧分离装置可以与这些高温过程实现耦合，并提供高纯度氧气，因此基于混合导体透氧膜的氧分离装置具有实际的应用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供了一种新的基于多通道混合导体透氧膜的适用于富氧燃烧、发电厂、医院等各种需氧场所应用的氧分离装置；本发明的另一目的是提供了利用上述氧分离装置进行氧分离的工艺。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种氧分离装置，其特征在于该装置包括空气加压系统、氧分离系统、抽真空系统和储气罐，其中空气加压系统依次由空气压缩机1通过减压阀2、第一压力检测器3、第一流量检测器4和第一热交换器5相连，空气压缩机1的进料侧与大气连通；氧分离系统由加热器6、膜组件8、第二热交换器9、第三热交换器14组成，加热器6一侧同第一热交换器5相连，另一侧经第一温度检测器7同膜组件8相连，膜组件8一侧同第二热交换器9相连，依次经第二压力检测器10、第二流量检测器11、第一球阀12和第一浓度检测器13同排空管相连；膜组件8的另一侧同第三热交换器14相连，经第二温度检测器15同抽真空系统中的真空泵16相连；抽真空系统依次由真空泵16、第二球阀17、第三压力检测器18、第二浓度检测器19和第三流量检测器20组成；第三流量检测器20和储气罐21相连；其中膜组件8中装有多通道混合导体透氧膜。
优选所述的膜组件8的材质为氧化铝、石英、刚玉、玻璃或不锈钢。
优选所述的多通道混合导体透氧膜为钙钛矿型氧化物，材料通式表示为A1-xA’xByB’1-yO3-δ，其中A、A’为La、Sm、Ca、Sr、Ba中的任意一种元素，B、B’为Co、Fe、Mn、Cr、Ni、Cu、Nb、Ce、Zr、Y、Pr、Ta中的任意一种元素，0≤x≤1，0≤y≤1，δ是氧晶格缺陷数。优选所述的多通道混合导体透氧膜采用固相反应法、柠檬酸-EDTA络合法、水热法、共沉淀法、一步热处理法中的一种，通过塑性挤出，浇注成型，相转化法中的一种制备得到。优选所述的多通道混合导体透氧膜的通道数为3—60。
优选所述的第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14均采用间壁式换热器、蓄热式换热器或混合式换热器中的一种或几种。
本发明还提供了一种利用上述的氧分离装置进行氧分离的工艺，其具体步骤如下：先打开减压阀2和空气压缩机1，大气中的空气经过空气压缩机1被压缩后，通过第一热交换器5经加热器6加热后进入膜组件8中，当第二温度检测器15达到预定的温度，打开第一球阀12和第二球阀17，空气通过膜组件8中的多通道混合导体透氧膜进行氧分离，被分离出的氧气通过第三热交换器14经真空泵16富集后被储气罐21收集，被分离出的其他气体经第二热交换器9通过排空管路被排空。
优选所述的空气加压系统的出口压力控制在5-30atm。
所述的加热系统通过电加热、锅炉废气、蒸汽、获取的氧气和贫氧空气的废热、燃烧过程、外部的能量输入中的一种或两种及以上混合来提供能量。优选所述的膜组件8中的多通道混合导体透氧膜分离出的氧气的温度为600—1200℃。
优选所述的第一热交换器5、第二热交换器9和第三热交换器14的传热介质为水、蒸汽、乙二醇、乙醇、油、废气、产品氧气、排空的贫氧空气中的一种或两种及以上的混合物。
优选上述分离得到的氧气纯度为99％-99.99％。
有益效果：
本发明结构紧凑合理，与现有技术相比，本发明用途广泛，适用于多种构型的管式膜，如粗管、细管、中空纤维膜等，具有能耗低、成本低、效率高、环保等优点，不仅可以实现连续不断地生产高纯度氧气，而且可进一步向小型化、一体化发展，制备小型便携式供氧系统，具有较好的经济效应和社会效应。
附图说明
图1为本发明的基于多通道混合导体透氧膜的氧分离装置的结构示意图；其中1—空气压缩机，2—减压阀，3—第一压力检测器，4—第一流量检测器，5—第一热交换器，6—加热器，7—第一温度检测器，8—膜组件，9—第二热交换器，10—第二压力检测器，11—第二流量检测器，12—第一球阀，13—第一浓度检测器，14—第三热交换器，15—第二温度检测器，16—真空泵，17—第二球阀，18—第三压力检测器，19—第二浓度检测器，20—第三流量检测器，21—储气罐。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种氧分离装置，其特征在于该装置包括空气加压系统、氧分离系统、抽真空系统和储气罐，其中空气加压系统依次由空气压缩机1通过减压阀2、第一压力检测器3、第一流量检测器4和第一热交换器5相连，空气压缩机1的进料侧与大气连通；氧分离系统由加热器6、膜组件8、第二热交换器9、第三热交换器14组成，加热器6一侧同第一热交换器5相连，另一侧经第一温度检测器7同膜组件8相连，膜组件8一侧同第二热交换器9相连，依次经第二压力检测器10、第二流量检测器11、第一球阀12和第一浓度检测器13同排空管相连；膜组件8的另一侧同第三热交换器14相连，经第二温度检测器15同抽真空系统中的真空泵16相连；抽真空系统依次由真空泵16、第二球阀17、第三压力检测器18、第二浓度检测器19和第三流量检测器20组成；第三流量检测器20和储气罐21相连；其中膜组件8中装有多通道混合导体透氧膜。所述的氧分离装置通过压缩机1抽吸空气，制得的纯氧存储所需的驱动力通过真空泵16提供。加压空气通过第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14与外界和氧分离系统进行互换散热，实现加压空气和高纯度氧气及贫氧空气的换热。
上述的氧分离装置进行氧分离的工艺，其具体步骤如下：先打开减压阀2和空气压缩机1，大气中的空气经过空气压缩机1被压缩后，通过第一热交换器5经加热器6加热后进入膜组件8中，当第二温度检测器15达到预定的温度，打开第一球阀12和第二球阀17，空气通过膜组件8中的多通道混合导体透氧膜进行氧分离，被分离出的氧气通过第三热交换器14经真空泵16富集后被储气罐21收集，被分离出的其他气体经第二热交换器9通过排空管路被排空。
实施例2：
氧分离装置及分离工艺同实施例1，将大气中的空气经过空气加压系统中的空气压缩机1被压缩后，进入氧分离系统的膜组件8和加热器6中被加热，空气压缩机的出口压力为5atm，利用排空贫氧空气及产品氧气的热能为进料空气加热。第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14采用间壁式换热器，通过传热介质水和乙醇的混合物进行换热。加热器6和第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14所需要的能量通过电补充，加膜组件8中的多通道混合导体透氧膜分离出的氧气的温度控制在600℃。其中多通道混合导体透氧膜由一步热处理法制备，膜材料选用Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ。膜组件由4通道混合导体透氧膜和不锈钢套管组成，被压缩的空气经过氧分离系统，氧气被分离出来，被分离出来的氧气通过抽真空系统的真空泵16被氧气储罐21收集，得到浓度99.9％的氧气，空气中的其他气体则被排空。
实施例3：
氧分离装置及分离工艺同实施例1，将大气中的空气经过空气加压系统中的空气压缩机1被压缩后，进入氧分离系统的膜组件8和加热器6中被加热，空气压缩机的出口压力为30atm，利用锅炉废气和蒸汽的热能为进料空气加热。第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14采用混合式换热器，通过传热介质乙二醇和油的混合物进行换热。加热器6和第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14所需要的能量通过蒸汽补充，膜组件8中的多通道混合导体透氧膜分离出的氧气的温度控制在1050℃。其中多通道混合导体透氧膜由固相反应法制备，膜材料选用La0.9Ca0.1FeO3-δ。膜组件由19通道混合导体透氧膜和刚玉套管组成，被压缩的空气经过氧分离系统，氧气被分离出来，被分离出来的氧气通过抽真空系统的真空泵16被氧气储罐21收集，得到浓度99.99％的氧气，空气中的其他气体则被排空。
实施例4：
氧分离装置及分离工艺同实施例1，将大气中的空气经过空气加压系统中的空气压缩机1被压缩后，进入氧分离系统的膜组件8和加热器6中被加热，空气压缩机的出口压力为10atm，利用电为进料空气加热。第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14采用蓄热式换热器，通过传热介质废气和排空的贫氧空气的混合物进行换热。加热器6和第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14所需要的能量通过锅炉废气补充，膜组件8中的多通道混合导体透氧膜分离出的氧气的温度控制在1200℃。其中多通道混合导体透氧膜由柠檬酸-EDTA络合法制备，膜材料选用SrFe0.9Ta0.1O3-δ。膜组件由58通道混合导体透氧膜和玻璃套管组成，被压缩的空气经过氧分离系统，氧气被分离出来，被分离出来的氧气通过抽真空系统的真空泵16被氧气储罐21收集，得到浓度99.95％的氧气，空气中的其他气体则被排空。
实施例5：
氧分离装置及分离工艺同实施例1，将大气中的空气经过空气加压系统中的空气压缩机1被压缩后，进入氧分离系统的膜组件8和加热器6中被加热，空气压缩机的出口压力为22atm，利用燃烧过程的热能为进料空气加热。第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14采用混合式换热器，通过传热介质蒸汽进行换热。加热器6和第一热交换器5、第二热交换器9、第三热交换器14所需要的能量通过电补充，膜组件8中的多通道混合导体透氧膜分离出的氧气的温度控制在900℃。其中多通道混合导体透氧膜由共沉淀法制备，膜材料选用SrCo0.9Nb0.1O3-δ。膜组件由30通道混合导体透氧膜和石英管组成，被压缩的空气经过氧分离系统，氧气被分离出来，被分离出来的氧气通过抽真空系统的真空泵16被氧气储罐21收集，得到浓度99.97％的氧气，空气中的其他气体则被排空。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氧分离装置，其特征在于该装置包括空气加压系统、氧分离系统、抽真空系统和储气罐，其中空气加压系统依次由空气压缩机(1)通过减压阀(2)、第一压力检测器(3)、第一流量检测器(4)和第一热交换器(5)相连，空气压缩机(1)的进料侧与大气连通；氧分离系统由加热器(6)、膜组件(8)、第二热交换器(9)、第三热交换器(14)组成，加热器(6)一侧同第一热交换器(5)相连，另一侧经第一温度检测器(7)同膜组件(8)相连，膜组件(8)一侧同第二热交换器(9)相连，依次经第二压力检测器(10)、第二流量检测器(11)、第一球阀(12)和第一浓度检测器(13)同排空管相连；膜组件(8)的另一侧同第三热交换器(14)相连，经第二温度检测器(15)同抽真空系统中的真空泵(16)相连；抽真空系统依次由真空泵(16)、第二球阀(17)、第三压力检测器(18)、第二浓度检测器(19)和第三流量检测器(20)组成；第三流量检测器(20)和储气罐(21)相连；其中膜组件(8)中装有多通道混合导体透氧膜。
2.按照权利要求1所述的氧分离装置，其特征在于所述的膜组件(8)的材质为氧化铝、石英、刚玉、玻璃或不锈钢。
3.按照权利要求1所述的氧分离装置，其特征在于所述的多通道混合导体透氧膜为钙钛矿型氧化物，材料通式表示为A1-xA’xByB’1-yO3-δ，其中A、A’为La、Sm、Ca、Sr、Ba中的任意一种元素，B、B’为Co、Fe、Mn、Cr、Ni、Cu、Nb、Ce、Zr、Y、Pr、Ta中的任意一种元素，0≤x≤1，0≤y≤1，δ是氧晶格缺陷数。
4.按照权利要求1所述的氧分离装置，其特征在于所述的多通道混合导体透氧膜的通道数为3—60。
5.按照权利要求1所述的氧分离装置，其特征在于所述的第一热交换器(5)、第二热交换器(9)、第三热交换器(14)均采用间壁式换热器、蓄热式换热器或混合式换热器中的一种或几种。
6.一种利用权利要求1所述的氧分离装置进行氧分离的工艺，其具体步骤如下：先打开减压阀(2)和空气压缩机(1)，大气中的空气经过空气压缩机(1)被压缩后，通过第一热交换器(5)经加热器(6)加热后进入膜组件(8)中，当第二温度检测器(15)达到预定的温度，打开第一球阀(12)和第二球阀(17)，空气通过膜组件(8)中的多通道混合导体透氧膜进行氧分离，被分离出的氧气通过第三热交换器(14)经真空泵(16)富集后被储气罐(21)收集，被分离出的其他气体经第二热交换器(9)通过排空管路被排空。
7.按照权利要求6所述的工艺，其特征在于所述的空气加压系统的出口压力控制在5-30atm。
8.按照权利要求6所述的工艺，其特征在于所述的膜组件(8)中的多通道混合导体透氧膜分离出的氧气的温度为600—1200℃。
9.按照权利要求6所述的工艺，其特征在于所述的第一热交换器(5)、第二热交换器(9)和第三热交换器(14)的传热介质为水、蒸汽、乙二醇、乙醇、油、废气、产品氧气、排空的贫氧空气中的一种或两种及以上的混合物。
10.按照权利要求6所述的工艺，其特征在于所述的分离得到的氧气纯度为99％-99.99％。
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