CN1115260A - 磁场分离空气中的氧气的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用磁场来分离空气中的氧气的方法及装置。本发明的方法是在空气的流路中施加非均匀磁场，其磁场强度梯度方向与空气的流动方向呈某一不为零的角度。氧气受磁场力的作用沿磁场强度梯度方向流动，形成氧气的富集区，对该富集区中的氧气施加驱动力使氧气克服磁场的束缚，流入收集区，形成氧气的流路。由本发明的方法得到的氧气分离装置具有结构简单、体积小、造价低的特点，用它来制取氧气可实现产量大，能耗低的目的，可广泛应用于医疗、养殖、发酵及富氧燃烧等方面之中。

Description

磁场分离空气中的氧气的方法及装置

本发明涉及一种从空气中分离氧气的方法及装置。

空气中含有20.9％的氧气。当空气中氧气的浓度超过21％时称之为富氧空气。富氧空气可用于医疗、发酵及氧化过程；用于空调可改善建筑物中的氧气浓度；用于农业可实现密集型养鱼；特别是用于燃烧过程时，实现富氧燃烧可有效地节约能源改善内燃机效率，并可减少对大气的污染。由于氧气在工业、农业、医疗及人们的日常生活中起了极其重要的作用，所以如何从空气中分离氧气一直是人们深入研究的课题。

目前工业化大规模生产氧气的方法是深冷法。该法系将空气冷却液化，然后利用不同的气体的沸点不同来分离氧气。此法生产的氧气纯度高、产量大，主要用于冶金、化工等重工业中。它的缺点是设备投资很大，且需耗费巨大的电力。另外其设备体积庞大，一般是固定式的，在远离氧气站的地方，需用高压气瓶或管道输送使用不方便。此外在许多应用场合中并不要求使用高纯度的氧气，如医疗、发酵和燃烧过程等，在这些场合中使用纯氧也很不经济。

另外还有两种从空气中分离氧气的方法，一种是变压吸附法，一种是膜分离法前者系利用分子筛吸附氮气而分离出氧气，后者是利用氧和氮的分子在透过气体分离膜时的速率不同而分离出氧气。这两种方法的特点基本一致，即氧气纯度不高，产量小，单位产量的电耗较高。它们的设备在体积和造价方面虽低于深冷法，但相对于产量来说仍显偏大。例如一种变压吸附制氧装置，其产量仅为2立方米/小时，而它的重量却达850Kg。因此它们的应用范围受到限制，有时还不如使用高压气瓶方便。

本发明的目的是提供一种新的从空气中分离氧气的方法，利用这个方法得到的制氧装置具有结构简单，体积小重量轻、造价低的特点，并可实现产氧量大、效率高、能耗低的目的。

本发明是通过采用磁场分离空气中的氧气来实现的，下面对本发明进行详细的说明。

空气中含有79％的氮气，20.9％的氧气，还有少量的二氧化碳、水及微量的惰性气体。在这几种气体中， 只有氧的分子是顺磁性的，其它气体的分子均是反磁性的。也就是说氧分子具有磁偶极子，在磁场中可受到磁力的作用，而其它气体的分子均没有磁偶极子，在磁场中不受磁力的作用。这一点也可从这些气体的比磁化系数上看到，见下表：

气体种类	氧气	氮气	水蒸汽	二氧化碳	氦气
						比磁化系数×108cm3/g	+106.2	-0.47	-0.43	-0.42	-0.47

可见氧气的比磁化系数比其它气体大两个数量级。氧气的这一性质使利用磁场来分离空气中的氧气成为可能。

根据磁学原理，外加磁场作用于单位质量物质上的磁力由下式表示：

       F＝X₀×H×gradH    (公式一)

式中X₀为物质的比磁化系数；H为磁场强度；gradH为磁场强度的梯度。

公式一说明，磁场作用力除与X₀和H成正比外，还与磁场强度梯度即磁场强度沿某一方向的变化率成正比。也就是说，要使磁场对物质沿某一方向产生吸引力就必须使该方向上的磁场强度梯度不为零，

对于气体来说，其比磁化系数与密度和温度有关，见下式：

      X₀＝C×d/T

式中C为居里常数；d为气体的密度；T为气体的绝对温度。

根据理想气体状态方程，上式可推导为：

      X₀＝K×P/T²    (公式二)

式中K为与气体种类有关的常数；P为气体的压力；T为气体的绝对温度。

公式二说明，某种气体的比磁化系数与该气体的压力成正比，与绝对温度的平方成反比。

传统的磁分离方法主要用于分离具有一定体积、形状和重量的固体。由于气体是没有一定的体积和形状，比重又很小的流体，所以传统的磁分离方法对分离空气中的氧气是不适用的。

本发明所描述的磁场分离空气中的氧气的方法，其特征在于：利用非均匀磁场对氧气产生的吸引力来改变流动着的空气中氧气的流动方向，在磁场强度大的区域形成氧气的富集区，然后对该区域中的氧气施加驱动力；使氧气脱离磁场的束缚，进入收集区中，形成一个氧气的流路。可将其分为两个连续的过程，即富集过程和收集过程。

富集过程的目的是从空气中富集氧气。其特征是：在空气的流路中施加非均匀磁场，该磁场的磁场强度梯度方向与空气的流动方向垂直或呈某一不为零的角度，根据公式一则该磁场对空气中的氧分子产生作用力，使氧分子磁场强度梯度方向形成与空气流动方向不同的流动；并在磁场强度高的区域形成氧气的富集区。

收集过程的目的是将氧气从富集区收集到收集区中，完成分离氧气的过程。其特征是：对富集区中的氧气施加驱动力来克服磁场的作用力，使氧气脱离磁场的束缚进入收集区。所说的驱动力由以下几种方式产生：

1.降低富集区中氧气的压力。根据公式二，降低P可降低X₀，从而降低了磁场的作用力，由压力差所产生的驱动力使氧气脱离富集区流入收集区，同时空气流中的氧气又补充入富集区，形成了氧气的流路。

2.升高富集区中氧气的温度。根据公式一，升高T可降低X₀，从而降低了磁场的作用力，由热对流所产生的驱动力使氧气脱离富集区流入收集区，同时空气流中的氧气又补充入富集区，形成了氧气的流路。

3.利用机械驱动力例如离心力也可克服磁场的作用力，使氧气脱离富集区流入收集区。

以上的几种方式及它们的组合均可实现收集过程，因而均处于本发明的范围之内。

本发明所描述的磁场分离空气中的氧气的装置，正是利用了上述的方法，其结构见附图。图中(1)为富集区；(2)为空气的进气通道；(3)为磁钢；(4)为氧气的出气口；(5)为外壳；(6)为收集区。其分离氧气的过程如下：

空气以一定的流速沿垂直于纸面的方向在进气通道(2)中流动。根据流体力学可知，进气通道(2)相对于富集区(1)形成负压，所以空气不会自动的流入富集区(1)中。磁钢(3)是楔形的，在磁钢的间隙即富集区(1)中形成不均匀磁场，其磁场强度的梯度方向为沿径向从内向外的方向，该磁场对进气通道中流过的氧气产生吸引力，使氧气被吸入富集区(1)中，完成富集过程。当由磁钢(3)所组成的磁系以一定的速度旋转时，富集区(1)中的氧气便会受到离心力的作用而脱离磁场的束缚，流入收集区(6)中，并从出气口(4)处流出，完成收集过程。通过调整进气通道(2)中空气的流速和磁系的转速，可调整出气口(4)处氧气的浓度及流量，从而达到最佳分离效果。

本发明的从空气中分离氧气的装置，只需用电机带动风机产生空气流并带动磁系旋转，即可得到氧气，无需空气压缩机，真空泵等机电设备及复杂的阀门管路系统，具有结构简单，体积小、重量轻和造价低的特点。用它来制取氧气，产氧量大能耗低，特别适用于医疗保健及富氧燃烧之中。也可与膜分离法或变压吸附法串联使用来制取纯度更高的氧气。

本发明的实施及推广使用，将给制氧工业带来很大的变革，同时也将在工农业生产及人们的生活中产生巨大的经济效益和社会效益。

Claims (5)

1.用磁场来分离空气中的氧气的方法，其特征在于：在空气的流路中施加非均匀磁场，利用非均匀磁场对氧气产生的吸引力，来改变流动着的空气中氧气的流动方向，在磁场强度大的区域形成氧气的富集区，完成富集过程，然后对该富集区中的氧气施加驱动力，使氧气脱离磁场的束缚，流入收集区，形成氧气的流路，完成收集过程。

2.权利要求1所说的非均匀磁场，其特征在于：磁场强度的梯度方向与空气的流动方向垂直或呈某一不为零的角度。

3.权利要求1所说的驱动力，其特征在于：降低富集区中氧气的压力，由压力差所产生的驱动力；或升高富集区中氧气的温度，由热对流所产生的驱动力；或由机械力如离心力所产生的驱动力；或由上述几种方式的组合产生的驱动力。

4.用磁场来分离空气中的氧气的装置，其特征在于：由富集区(1)，进气通道(2)，磁钢(3)，出气口(4)，机壳(5)和收集区(6)构成，空气以一定流速在进气通道(2)中流动，磁钢(3)在间隙即富集区(1)中产生非均匀磁场，由磁钢(3)所组成的磁系以一定速度旋转，氧气从出气口(4)流出。

5.权利要求4所说的非均匀磁场，其特征在于：磁场强度的梯度方向与空气的流动方向垂直。

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