一种基于中空纤维陶瓷透氧膜的模块化制氧装置的制作方法

本发明为陶瓷透氧膜分离空气制氧装置的范畴，具体是涉及一种基于中空纤维陶瓷透氧膜的模块化制氧装置。

背景技术：

现今工业生产及其他领域都广泛使用纯氧，纯氧的应用可以增加产量、减少排放、降低成本，对资源的高效利用和环境保护有着积极的作用。传统的氧分离主要采用空气低温分馏工艺(Cryogenic Separation)和压力回旋吸附法(Pressure Swing Adsorption)，但通常设备投资大、功耗高、效率低。近年来，陶瓷透氧膜制氧方面的研究取得了较大的发展，当材料两侧存在一定氧浓度梯度时，氧将以氧离子的形式通过晶格中动态形成的氧离子缺陷(氧空位)以跳跃的形式从高氧分压端向低氧分压端传导，同时电子通过可变价金属离子之间的跳跃反向传导。由于具有高的氧离子和电子的混合导电能力，此类材料不需要外加电路就可以完成氧的传输过程，并且氧的传输是以晶格振动的形式进行的，理论上透氧膜对氧的选择性为100％。因此，透氧膜在需连续供应纯氧的工业过程(如甲烷部分氧化反应、氧化偶联反应等)和需要氧分离的工业过程(如CO₂的分解反应等)中具有非常诱人的应用前景。

陶瓷透氧膜按其微观结构特点，可分为对称膜和非对称膜。对称膜(如片状或管状结构)由于孔隙率小、渗透性差等原因，主要用于实验室小规模应用，工业应用意义不大。相转化法制备的新型中空纤维陶瓷膜(外径一般小于2mm)除具有传统陶瓷膜本身优点以外，还具有单位体积装填密度大(>1000m²/m³)、制备工艺简单、成本低以及自支撑体成膜等特点。陶瓷中空纤维透氧膜由于强度低，操作与维护方法复杂，因此中空纤维透氧膜制氧装置的设计及高温封接技术成为限制其应用的瓶颈。

谭小耀等人报道过一种用于空气分离制氧的透氧膜管束组件(授权公告号CN201175650Y)。该组件将多根中空纤维透氧膜组成的膜束并列密封在膜束安置体上，从而实现大规模制氧，经估算，此器件在500根LSCF中空纤维膜同时工作时，其透氧能力可达5.71L/min。此设计器件能够获得较大的透氧通量，但安装维护时灵活性有限，且密封方案存在高温失效的可能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低成本、高效率、易于安装拆卸的基于中空纤维陶瓷透氧膜的模块化制氧装置。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明基于中空纤维陶瓷透氧膜的模块化制氧装置，其结构特点在于：所述模块化制氧装置是由若干个中空纤维膜束元件可拆卸的并联安装于高温炉内构成；对应于每一个中空纤维膜束元件，在所述高温炉内皆独立设置有加热单元，以使得各中空纤维膜束元件可以独立工作。

所述中空纤维膜束元件包括外壳、上盖、若干个一端密封另一端开口的中空纤维陶瓷透氧膜膜管、膜束固定底座和膜束固定盘各部件；

所述上盖、外壳及膜束固定底座从上至下依次配合，形成密闭结构；在所述上盖的中央开设有空气入口，在所述膜束固定底座的中央开设有氧气出口，在所述外壳的下侧开设有空气出口并安装有空气出口接头；

所述膜束固定底座的内侧底部为梯形台面结构；所述膜束固定盘平放于所述膜束固定底座中，底部与膜束固定底座的底部之间形成倒梯形空腔；

在所述膜束固定盘上开设有若干通孔，在所述膜束固定盘上方贴合固定有陶瓷纤维纸，在所述陶瓷纤维纸上也开设有与膜束固定盘上通孔一一对应的通孔；

各中空纤维陶瓷透氧膜膜管以开口端朝下逐一竖直插入到固定陶瓷纤维纸和膜束固定盘的通孔内、并伸出至倒梯形空腔中；在陶瓷纤维纸上方，膜束固定底座与各中空纤维陶瓷透氧膜膜管之间依次通过有机密封胶与无机密封胶进行双层密封。

所述氧气出口连接无油真空泵。

所述有机密封胶可耐温200-400℃；所述无机密封胶是以氧化铝粉和玻璃粉的混合粉体为成分的玻璃陶瓷密封材料，其中玻璃粉是商业BYB075无铅玻璃。

在所述高温炉上设置有膜束元件支撑架，所述中空纤维膜束元件的凸台形上盖悬挂在所述膜束元件支撑架上，从而使中空纤维膜束元件固定在所述高温炉内。

所述中空纤维膜束元件的空气入口和空气出口接头皆位于高温炉外。

所述外壳与所述上盖的配合为螺纹配合，所述外壳与所述膜束固定底座的配合为螺纹配合。

所述空气出口接头与所述外壳之间为螺纹配合。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明的模块化制氧装置的各部件加工方便，组装过程简单且易操作，适合大批量生产与应用。

2、本发明的模块化制氧装置中的透氧元件结构合理，中空纤维膜束装填密度高。

3、本发明的膜束元件中的中空纤维陶瓷透氧膜膜管与膜束固定盘间使用有机密封胶和无机密封胶双重密封，可得到良好的密封效果。

4、本发明制氧装置的模块化设计使各透氧元件独立性高，并联运行时相互干扰程度低，可通过简单方法进行膜束元件工作状态监测，维护更换等操作方便，工作效率高。

5、本发明制氧装置的适用范围广，可根据不同用氧情况组装成制氧系统，具有较高的应用前景。

附图说明

图1是本发明基于中空纤维陶瓷透氧膜的模块化制氧装置的结构示意图；

图2是本发明中空纤维膜束元件的结构示意图；

图中标号：1为空气入口；2为上盖；3为外壳；4为中空纤维陶瓷透氧膜膜管；5为空气出口接头；6为无机密封胶；7为有机密封胶；8为陶瓷纤维纸；9为弹性垫圈；10为膜束固定盘；11为膜束固定底座；12氧气出口；13为膜束元件支撑架；14为高温炉；15为加热电阻丝；16为中空纤维膜束元件。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于中空纤维陶瓷透氧膜的模块化制氧装置，是由若干个中空纤维膜束元件16可拆卸的并联安装于高温炉14内构成；对应于每一个中空纤维膜束元件16，在高温炉内皆独立设置有加热单元，以使得各中空纤维膜束元件可以独立工作。具体设置时，加热单元可采用加热电阻丝15。

如图2所示，中空纤维膜束元件16包括外壳3、上盖2、若干个一端密封另一端开口的中空纤维陶瓷透氧膜膜管4、膜束固定底座11和膜束固定盘10；

其中，上盖2、外壳3及膜束固定底座11从上至下依次配合，形成密闭结构；在上盖2的中央开设有空气入口1，在膜束固定底座11的中央开设有氧气出口12，在外壳3的下侧开设有空气出口并安装有空气出口接头5；

膜束固定底座11的内侧底部为梯形台面结构；膜束固定盘10平放于膜束固定底座11中(卡在梯形台面结构上方)，底部与膜束固定底座11的底部之间形成倒梯形空腔；

在膜束固定盘10上开设有若干通孔，在膜束固定盘上方贴合固定有陶瓷纤维纸8，在陶瓷纤维纸8上也开设有与膜束固定盘10上通孔一一对应的通孔；

各中空纤维陶瓷透氧膜膜管4以开口端朝下逐一竖直插入到固定陶瓷纤维纸8和膜束固定盘10的通孔内、并伸出至倒梯形空腔中；在陶瓷纤维纸8上方，膜束固定底座11与各中空纤维陶瓷透氧膜膜管4之间依次通过有机密封胶7与无机密封胶6进行双层密封。

氧气出口12连接无油真空泵。

具体的，在高温炉14上设置有膜束元件支撑架13，中空纤维膜束元件16的凸台形上盖2悬挂在膜束元件支撑架13上，从而使中空纤维膜束元件16固定在高温炉14内。中空纤维膜束元件16的空气入口1和空气出口接头5皆位于高温炉14外。

外壳3与上盖2的配合为螺纹配合，外壳3与膜束固定底座11的配合为螺纹配合，且通过弹性垫圈密封。空气出口接头5与所述外壳3之间为螺纹配合。

上述基于中空纤维陶瓷透氧膜的模块化制氧装置的组装、使用方式举例如下：

将膜束固定盘10平放入膜束固定底座11中，然后在其表面铺一层陶瓷纤维纸8，将陶瓷纤维纸8上的通孔与膜束固定盘10上的通孔对准，以保证中空纤维陶瓷透氧膜膜管4能穿透、固定在膜束固定盘中。将中空纤维陶瓷透氧膜膜管4的开口端向下逐个通过陶瓷纤维纸竖直插入膜束固定盘的阵列通孔中，加入有机密封剂7，有机密封剂需要有一定的流动性，固化稳定且能承受200-400℃的温度，待有机密封剂固化后，在其上部加入无机密封剂6，无机密封剂需要具有一定的抗热冲击和隔热能力。密封结束后将膜束固定底座的氧气出口12外接无油真空泵，进行气密性检测，若无气体抽出，说明气密性完好，若有空气抽出，再次加入无机密封剂，重复操作，直到完全密封为止。将弹性垫圈9套在膜束固定底座11外，然后旋入外壳3，外壳3和膜束固定底座为螺纹连接。将上盖2旋入外壳3，外壳3和上盖2同样为螺纹连接，初步形成中空纤维膜束元件16。将中空纤维膜束元件16穿过膜束元件支撑架13放入高温炉14中，上盖2边缘托在膜束元件支撑架上以固定。将空气出口接头5旋入外壳3侧面螺纹通孔中，完成单一膜束元件的组装。

按照上述过程将若干中空纤维膜束元件组装固定在膜束元件支撑架13上，然后从空气入口1通入空气。各元件空气出口接头连接后续废气处理装置，用以收集处理排出气体。各氧气出口12连接质量流量计和通气阀后汇总连接无油真空泵，用以产生低氧分压环境和氧气收集。

工作时，升温达到工作温度(700～900℃)，开启无油真空泵，即可在内腔和膜内产生低氧分压环境，从而进行制氧。通过接入气体流量计确定抽出气体流量。还可连接气相色谱仪，用以抽检抽出气体氧气含量，以便进行氧气质量监控。若元件在运行时出现问题，则可以通过气体流量计检测到流量变化，关闭通气阀后，对损坏元件进行更换。

经试用，用一个以10根直径为Φ2mm、长度为40cm的Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(BSCF)中空纤维膜组成的透氧元件，在900℃时制氧速率在150cm³/min。按此计算，单个48根BSCF膜束元件的制氧能力可达到720cm³/min。若10个元件组成的组件，总制氧能力可达到7.2dm³/min，每小时可制氧0.43m³。此组件可以根据不同的用氧需求调节元件数量，组装、维护和更换非常方便，可以实现连续生产，具有很高的效率。