一种富氧膜组件和膜法富氧制取系统的制作方法

1.本发明涉及膜法富氧制取设备技术领域，具体涉及一种富氧膜组件和膜法富氧制取系统。


背景技术：

2.富氧燃烧是以高于空气氧气含量(20.947％)的含氧气体进行燃烧，是一种高效的节能燃烧技术，具有提高火焰温度、增强辐射传热能力、减少废气排放、提高热效率、节约能源等优点，有利于提高产品产量和质量，在水泥、锅炉、陶瓷、玻璃等行业，基于富氧燃烧的高效技术正不断得到推广和应用。
3.目前，富氧的制取工艺主要涉及到传统深冷空气分离、变压吸附(psα)、真空变压吸附(vpsα)和膜法等方法，在实际运用中，对于小规模用户，如陶瓷窑炉、玻璃窑炉的富氧燃烧，富氧的制取工艺大多会基于膜分离的膜法富氧工艺。然而现有膜法富氧工艺中所应用的传统的富氧膜组件，无论板式膜还是卷式膜，皆如图3所示，包括箱体1，所述箱体1内设有富氧膜4，所述富氧膜4与所述箱体1的上下壁面平行设置形成原料气通道2和富氧气通道3，所述原料气通道2和富氧气通道3的截面始终保持不变。这种结构的膜组件，根据流体力学的伯努利原理，原料气在原料气通道2流动时，进口端的静压和末端静压由于流动损失就存在一定的差异。这种差异就直接导致富氧膜4从进口端到出口端，富氧膜4表面两侧的渗透压差不均匀，进口端渗透压差大于出口端渗透压差，这种渗透压差不均匀就导致实际上富集气体浓度，以及剩余气体组分浓度的改变。同时，膜法富集方法，实际上对这种渗透压差具有本质的依赖性，而这种不均匀性，随着膜组件的运行，会逐步恶化。如富氧膜4本身会被原料气中的颗粒污染物污染，有效孔径会出现局部逐渐堵塞的问题，进一步加剧这种渗透压差的不均匀性，不利于膜法富氧的顺行和有效控制。


技术实现要素：

4.1、发明要解决的技术问题
5.针对传统富氧膜组件中富氧膜两侧压力受力不均匀的技术问题，本发明提供了一种富氧膜组件和膜法富氧制取系统，它不仅可以确保膜组件两侧压力的均匀分布，且可以有效控制富氧率，确保富氧气体浓度的稳定性。
6.2、技术方案
7.为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
8.一种富氧膜组件，包括箱体，所述箱体内设有富氧膜，所述箱体内部由所述富氧膜分割形成原料气通道和富氧气通道，沿原料气体流动方向所述原料气通道的横截面呈逐渐增大的趋势。
9.在本发明中，沿原料气体流动方向所述原料气通道的横截面呈逐渐增大的趋势，该设置使得当原料气在原料通道内进行流动时，随着原料气通道截面面积的增加，对应截面的流速按照连续性原理，必然相应同比降低。而这种由于截面面积增加，流动速度下降，
根据流体力学伯努利方程的基本原理，随着速度的主动控制，流速下降，气体流动动能向静压转化；同时，通过富氧膜的富氧气体通道沿流动方向，截面必然也会有所变化，即富氧气体在流动过程中，流动的速度会发生变化。考虑流动的本身阻力损失，本发明中的富氧膜两侧压差则可以得到良好的控制，整个过程中，富氧膜渗透压差的均匀性大幅提升，则有利于富集气体均匀制取，从流体力学理论的角度，本发明中的富氧膜的特性则得到良好的流动边界保证。由此可知，相比于传统的沿原料气体流动方向所述原料气通道截面始终保持不变的富氧模组件，本发明中的富氧膜组件可以确保富氧膜两侧压差在流动过程中的均匀性，有效提升富氧膜组件空气分离的均匀性，进而确保富集气体浓度具有更好的稳定性以及富氧率的整体可控性。
10.可选的，所述富氧膜倾斜设于所述箱体上，所述富氧膜与箱体中心线之间的夹角α为7
‑
12度。
11.可选的，所述富氧膜水平设于所述箱体内，沿原料气流动方向所述箱体的长边与水平线之间的夹角α为7
‑
12度。
12.可选的，所述箱体上设有进气口、第一出气口和第二出气口，所述进气口和所述第一出气口均与所述原料气通道相通，所述第二出气口与所述富氧气通道相通。
13.可选的，所述进气口与所述第二出气口设于箱体的一端，所述第一出气口设于箱体的另一端。
14.可选的，所述进气口设于箱体的一端，所述第一出气口和所述第二出气口设于所述箱体的另一端。
15.同时，本发明还提供一种膜法富氧制取系统，包括：过滤器、鼓风机、真空泵和上述所述的富氧膜组件；所述鼓风机的一端通过管道与过滤器相连，所述鼓风机的另一端通过管道与所述箱体相连，所述真空泵通过管道与所述箱体相连。
16.可选的，还包括富氧储存装置，所述富氧储存装置通过管道与真空泵相连。
17.可选的，还包括中位压差计，所述中位压差计设于所述箱体上。
18.可选的，还包括控制系统，所述控制系统分别与所述鼓风机、真空泵和中位压差计相连接。
19.3、有益效果
20.采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
21.(1)本技术实施例提出的富氧膜组件，结构简单，相比于传统的沿原料气体流动方向所述原料气通道截面始终保持不变的富氧模组件，本技术中的富氧膜组件可以确保富氧膜两侧压差在流动过程中的均匀性，有效提升富氧膜组件空气分离的均匀性，进而确保富集气体浓度具有更好的稳定性以及富氧率的整体可控性。
22.(2)本技术实施例提出的富氧膜组件，通过设置所述富氧膜与箱体中心线之间的夹角α为7
‑
12度，使得沿原料气体流动方向所述原料气通道的横截面呈逐渐增大的趋势，从而确保富氧膜两侧压差在流动过程中的均匀性，提升富氧膜组件空气分离的均匀性，进而确保富集气体浓度的稳定性更好以及富氧率的整体可控性。
23.(3)本技术实施例提出的富氧膜组件，通过设置富氧膜水平设于所述箱体内，沿原料气流动方向所述箱体的长边与水平线之间的夹角α为7
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12度，使得沿原料气体流动方向所述原料气通道的横截面呈逐渐增大的趋势，从而确保富氧膜两侧压差在流动过程中的均
匀性，提升富氧膜组件空气分离的均匀性，进而确保富集气体浓度的稳定性更好以及富氧率的整体可控性。
24.(4)本技术实施例提出的富氧膜组件，通过设置所述进气口与所述第二出气口设于箱体的一端，所述第一出气口设于箱体的另一端，使得原料气通道内的原料气的流动方向与所述富氧气通道内富氧气体的流动方向相反。
25.(5)本技术实施例提出的富氧膜组件，通过设置所述进气口设于箱体的一端，所述第一出气口和所述第二出气口设于所述箱体的另一端，使得原料气通道内的原料气的流动方向与所述富氧气通道内富氧气体的流动方向相同。
26.(6)本技术实施例提出的膜法富氧制取系统，工作时，原料气在鼓风机的作用下，进入过滤器进行过滤，将原料气中的粉尘、大颗粒物质、气态水以及其他杂质除去后，进入富氧膜组件中的箱体内，渗透速度快的氧气则透过富氧膜并通过富氧气通道，在真空泵的作用下，富氧气通道内的富氧空气则通过管道收集起来，以供使用，而渗透速度慢的氮气未通过富氧膜则滞留下来由原料气通道的一端的排出。本技术的膜法富氧制取系统不仅结构简单，且可以确保富氧膜两侧压差在流动过程中的均匀性，提升富氧膜组件空气分离的均匀性，进而确保富集气体浓度的稳定性更好以及富氧率的整体可控性。
27.(7)本技术实施例提出的膜法富氧制取系统，通过设置中位压差计获得富氧膜组件中箱体内流动方向中部富氧膜两侧流道处静态压差的取值，该取值可以作为变频鼓风机和变频真空泵运行的控制参数。
附图说明
28.图1为本发明实施例提出的一种富氧膜组件的结构示意图。
29.图2为本发明实施例提出的一种富氧膜组件的结构示意图。
30.图3为本发明实施例提出的传统富氧膜组件的结构示意图。
31.图4为本发明实施例提出的一种膜法富氧制取系统的结构示意图。
32.图5为本发明实施例提出的一种膜法富氧制取系统的结构示意图。
具体实施方式
33.为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
34.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。本发明中所述的第一、第二等词语，是为了描述本发明的技术方案方便而设置，并没有特定的限定作用，均为泛指，对本发明的技术方案不构成限定作用。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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。
35.实施例1
36.结合附图1
‑
2，本实施例提供一种富氧膜组件，包括箱体1，所述箱体1内设有富氧膜4，所述箱体1内部由所述富氧膜4分割形成原料气通道2和富氧气通道3，沿原料气体流动方向所述原料气通道2的横截面呈逐渐增大的趋势。
37.在本技术中，沿原料气体流动方向所述原料气通道2的横截面呈逐渐增大的趋势，该设置使得当原料气在原料通道内进行流动时，随着原料气通道2截面面积的增加，对应截面的流速按照连续性原理，必然相应同比降低。而这种由于截面面积增加，流动速度下降，根据流体力学伯努利方程的基本原理，随着速度的主动控制，流速下降，气体流动动能向静压转化；同时，通过富氧膜4的富氧气体通道沿流动方向，截面必然也会有所变化，即富氧气体在流动过程中，流动的速度会发生变化。考虑流动的本身阻力损失，本技术中的富氧膜4两侧压差则可以得到良好的控制，整个过程中，富氧膜4渗透压差的均匀性大幅提升，则有利于富集气体均匀制取，从流体力学理论的角度，本技术中的富氧膜4的特性则得到良好的流动边界保证。由此可知，相比于传统的沿原料气体流动方向所述原料气通道2截面始终保持不变的富氧模组件，本技术中的富氧膜组件可以确保富氧膜4两侧压差在流动过程中的均匀性，有效提升富氧膜组件空气分离的均匀性，进而确保富集气体浓度具有更好的稳定性以及富氧率的整体可控性。
38.实施例2
39.结合附图1，本实施例的富氧膜组件，与实施例1的技术方案相比，所述富氧膜4倾斜设于所述箱体1上，所述富氧膜4与箱体1中心线之间的夹角α为7
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12度。实际运用中，箱体1为矩形箱体1，该设置使得沿原料气体流动方向所述原料气通道2的横截面呈逐渐增大的趋势。当原料气在原料通道内进行流动时，随着原料气通道2截面面积的增加，对应截面的流速按照连续性原理，必然相应同比降低。这种由于截面面积增加，流动速度下降，根据流体力学伯努利方程的基本原理，随着速度的主动控制，流速下降，气体流动动能向静压转化；同时通过富氧膜4的富氧气体通道沿流动方向，截面也逐步扩大，同样动压向静压转化。考虑流动的本身阻力损失，富氧膜4两侧压差得到良好的控制，整个过程中，渗透压差的均匀性大幅提升，则有利于富集气体均匀制取，从流体力学理论的角度富氧膜4的特性得到良好的流动边界保证。由此可知，该夹角的设置可以确保富氧膜4两侧压差在流动过程中的均匀性，有效提升富氧膜组件空气分离的均匀性，进而确保富集气体浓度具有更好的稳定性以及富氧率的整体可控性。
40.实施例3
41.结合附图2，本实施例的富氧膜组件，与实施例1的技术方案相比，所述富氧膜4水平设于所述箱体1内，沿原料气流动方向所述箱体1的长边与水平线之间的夹角α为7
‑
12度。
42.实际运用中，所述箱体1为菱形箱体1，该设置使得沿原料气体流动方向所述原料气通道2的横截面呈逐渐增大的趋势，当原料气输入到原料气通道2中流动时，原料气在进口端的速度则较高，在出口端速度则相对较低，考虑局部阻力的同时，出口端仍然存在动压向静压的有机转化；同时，富氧气体通道中的富氧气体则在原料气的进口端速度相对较慢，
出口端流速相对较快，富氧气体通道几何形状的变化，上述设置仍然确保半透膜两侧压差在流动过程中的均匀性，从而确保在对应的压差下，富氧气体浓度的稳定性更好。
43.实施例4
44.结合附图4
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5，本实施例的富氧膜组件，与实施例1的技术方案相比，所述箱体1上设有进气口5、第一出气口6和第二出气口7，所述进气口5和所述第一出气口6均与所述原料气通道2相通，所述第二出气口7与所述富氧气通道3相通。原料气通过进气口5进入箱体1的原料气通道2内进行流动，在流动的过程中，通过富氧膜4进入富氧气通道3的气体进行富集并由第二出气口7排出，而未通过富氧膜4的剩余气体则通过第一出气口6排出。
45.实施例5
46.结合附图4，本实施例的富氧膜组件，与实施例4的技术方案相比，所述进气口5与所述第二出气口7设于箱体1的一端，所述第一出气口6设于箱体1的另一端。该设置使得原料气通道2内的原料气的流动方向与所述富氧气通道3内富氧气体的流动方向相反。
47.实施例6
48.结合附图5，本实施例的富氧膜组件，与实施例4的技术方案相比，所述进气口5设于箱体1的一端，所述第一出气口6和所述第二出气口7设于所述箱体1的另一端。该设置使得原料气通道2内的原料气的流动方向与所述富氧气通道3内富氧气体的流动方向相同。
49.实施例7
50.结合附图4
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5，本实施例提供一种膜法富氧制取系统，与实施例1
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6任一项技术方案相比，包括：过滤器8、鼓风机9、真空泵12和实施例1
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6任意一项技术方案所述的富氧膜组件；所述鼓风机9的一端通过管道与过滤器8相连，所述鼓风机9的另一端通过管道与所述箱体1相连，所述真空泵12通过管道与所述箱体1相连。
51.工作时，原料气在鼓风机9的作用下，进入过滤器8进行过滤，将原料气中的粉尘、大颗粒物质、气态水以及其他杂质除去后，进入富氧膜组件中的箱体1内，渗透速度快的氧气则透过富氧膜4并通过富氧气通道3，在真空泵12的作用下，富氧气通道3内的富氧空气则通过管道收集起来，以供使用，而渗透速度慢的氮气未通过富氧膜4则滞留下来由原料气通道2的一端的排出。本技术的膜法富氧制取系统不仅结构简单，且可以确保富氧膜4两侧压差在流动过程中的均匀性，有效提升富氧膜组件空气分离的均匀性，进而确保富集气体浓度的稳定性更好以及富氧率的整体可控性。
52.实际运用中，所述箱体1与所述鼓风机9之间的管道上设有第一阀门10，所述第一阀门10可以用于控制进入箱体1内气体的速度以及量；所述箱体1与所述真空泵12之间的管道上设有第二阀门11，设置第二阀门11在可以有效控制富氧气体的排放速度。
53.实际运用中，所述鼓风机9的一端通过管道与过滤器8相连，所述鼓风机9的另一端通过管道与所述箱体1内的原料气通道2相连，所述真空泵12通过管道与所述箱体1的富氧气通道3相连。
54.实施例8
55.本实施例的膜法富氧制取系统，与实施例7的技术方案相比，还包括富氧储存装置，所述富氧储存装置通过管道与真空泵12相连。通过富氧储存装置(图中未示出)用于富氧的收集。
56.实施例9
57.结合附图4
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5，本实施例的膜法富氧制取系统，与实施例7的技术方案相比，还包括中位压差计13，所述中位压差计13设于所述箱体1上。
58.实际运用中，鼓风机9为变频鼓风机，真空泵12为变频真空泵。通过设置中位压差计获得富氧膜组件中箱体1内流动方向中部富氧膜4两侧流道处静态压差的取值，该取值可以作为变频鼓风机和变频真空泵运行的控制参数。通常，对应某个浓度要求的富集过程，在压差恒定(具体恒定的数值与实际要求直接相关)的前提下，采集富集气体流量q，以及变频鼓风机和变频真空泵对应的功耗n9、n11的总和。从流体流动能量守恒、动量守恒和连续性法则的角度，基于流道中位压差测定的控制算法，整体具有二阶控制精度，有利于膜法富氧过程的稳定顺行。
59.实施例10
60.本实施例的膜法富氧制取系统，与实施例9的技术方案相比，还包括控制系统，所述控制系统分别与所述鼓风机9、真空泵12和中位压差计13相连接。通过设置控制系统，控制系统根据中位压差计的检测值，控制鼓风机9和真空泵12的运行参数，实现整个膜法富氧制取系统的自动化。
61.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。