专利名称：用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件的制作方法
技术领域：
本实用新型属于用陶瓷膜分离空气中氧气的装置范畴，具体涉及一种用于空气分离制 氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件。
背景技术：
高浓度氧(>95%)在工业生产及环境保护方面都广泛的应用，如炼钢、玻璃、制铝业以及 发电厂(IGCC)或垃圾燃烧处理等，用氧代替空气燃烧，可降低燃料消耗60%。用于工业生 产可以提高产量、减少排放、降低成本。然而，目前，空分制氧主要通过深冷精馏或变压吸 附(PSA或VSA)等工艺来实现，工艺复杂，成本，从而限制了它的广泛应用。而膜法空分 制氧由于不涉及到物质相变，可大大降低能量消耗，但现有的有机膜的透氧速率低，但不能 制得纯氧，况且有机膜的使用寿命短不利于降低生产成本。近年来，在陶瓷透氧膜方面的研 究取得了很大的进展，这种陶瓷膜能同时传导氧离子和电子，当膜的两边存在氧浓度梯度时， 在600 1100。C的高温条件下，氧分子在膜的一侧表面解离成氧离子和电子，氧离子和电子在 浓度差的推动力作用下共同透过该膜后，在膜的另一侧表面重组形成氧气释放出来，因此， 氧气可以在没有电极和外电路的情况下从高浓度一侧透过膜到达低浓度的一侧，从而形成稳 定的氧气流。与其它制氧技术相比，陶瓷膜的制氧速率快(为有机膜的103~104倍，为深冷 精馏或PSA的200倍)，可得到100%的纯氧，制氧成本低(比传统深冷精馏或PSA方法低 30~50%);机械强度高、耐腐蚀性好的优点，可在苛刻的环境下操作；工艺及操作简单，尤 其适合于小规模用氧环境，具有十分广阔的市场前景。
早期的透氧陶瓷膜大多是片式或板式结构，它一方面可提供的透氧膜面积很小，另一方 面由于膜厚度大，致使透氧速率小，同时高温密封和陶瓷膜之间的连接问题也很难解决，因 此不适合实际生产应用。
管式陶瓷膜相虽然较容易解决膜强度、高温密封和连接的问题，但单位体积内提供的膜 面积仍然有限，并因管式陶瓷膜系统体积大、氧产量小，也难以满足工业化生产的要求。
近几年来，人们开发了陶瓷中空纤维膜制备技术，这种透氧陶瓷中空纤维膜具有膜厚度 低、透氧率高、膜面积/体积比大等优点，这为陶瓷膜空分制氧技术的推广应用提供了条件。 然而，陶瓷中空纤维膜的脆性大，强度低，加上需要严格的高温密封，因此组装成膜组件和 空分制氧系统比较困难，这限制了陶瓷透氧膜的大规模工业化应用。
实用新型内容
本实用新型的发明目的，是研究一种用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜组件，提 供高效率、低成本，技术实用性好的陶瓷中空纤维透氧膜管束用于空气分离制氧的技术。
本实用新型的技术方案是研制一种用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜组件，其 特征是所述的组件由中空纤维膜束安置体4，隔热板8保护罩22依次联接构成；其中
a. 膜束安置体4的上盖设置多个承接口 13，膜束安置体4的腔内设置热交换器3，膜束 安置体4的出口管7连接无油负压源；
b. 耐火材质的隔热板8设置在承接口 13的上面，设置与承接口 13数目相同的贯穿孔和
承接口 13贯通；
C.多根陶瓷中空纤维透氧膜组成陶瓷中空纤维透氧膜束1，膜束1的开口一端穿过膜束 接头2，并列密封定位在膜束接头2体内，膜束1的开口端12伸出膜束接头2体外与膜束安 置体4腔内相通，膜束接头2逐一安置在承接口 13内，膜束接头2的外缘与承接口 13内缘 间隙配合；
d. 耐高温材质的保护罩(22)设置在隔热板8的上面，罩住陶瓷中空纤维膜束1的闭合 端12，保护罩安置在膜束安置体的上盖；
e. 热交换器3设置在管束安置体4腔内，空气入口 5穿过膜束安置体4底部连接大气， 空气出口 6穿过膜束安置体4的上盖和隔热板8进入高温炉膛21内。
上述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜组件，其特征是所述组成陶瓷中空纤维 透氧膜束1的陶瓷中空纤维透氧膜，设置为一端封闭另一端开口的结构。
上述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜束组件，其特征是所述陶瓷中空纤维透 氧膜，其管壁是不对称复合结构，外层是分离层，内层是支撑层，分离层厚度为1 100 pm， 支撑层厚度为50 1000 pm。
上述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜组件，其特征是所述膜束接头2的外缘 与承接口 13内缘间隙配合是螺纹配合。
上述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件，其特征是所述膜束接头2的 外缘与承接口 13内缘间隙配合是承插配合。
上述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件，其特征是所述膜束接头2的 外缘与承接口 13内缘间设置弹性垫圈。
本实用新型的优点是
1. 膜束组件结构合理，膜束的装填密度高，组件内浓差极化小；
2. 易于密封，中空纤维膜束接头可以用耐200 50(TC的高温有机或无机密封剂即可实现 密封；
3. 所用材质易得，制备简便；拆卸和操作维护方便，成本低，技术实用性好。
4. 便于实现进料空气和产品氧气间的热交换，可降低能耗。
5. 适用范围广，可根据需要用于不同氧产量的空分制氧系统，具有广阔的市场前景。
图1是本实用新型的陶瓷中空纤维透氧膜组件整体结构示意图； 图2是本实用新型的陶瓷中空纤维透氧膜束与接头配合状态示意图； 图3是本实用新型的陶瓷中空纤维透氧膜束与接头密封状态示意图； 图4是陶瓷中空纤维透氧膜的管壁结构示意图； 图5是安置体的承接口结构示意图；(横剖面)
图6是安置体的承接口装配陶瓷中空纤维透氧膜束后状态示意图。
具体实施方式
图1中显示，1中空纤维陶瓷透氧膜束；2膜束接头；3热交换器；4膜束安置体；5空 气入口； 6空气出口； 7膜束安置体出口管(氧气出口)； 8隔热板；19膜束安置体上盖；20 膜束安置体底部；21高温炉膛；22保护罩；23尾气出口。
图2中显示，IO密封填料；11中空纤维陶瓷透氧膜开口端；12中空纤维陶瓷透氧膜封 闭端；13承接口； 19膜束安置体的上盖；其余标号同前。
图3中显示放大的陶瓷中空纤维透氧膜束与接头密封状态，标号同前。
图4中显示陶瓷中空纤维透氧膜的管壁结构，14管腔；15内壁多孔支撑层；16中间过 渡层；17外壁致密层(有效分离层)。
图5中显示膜束安置体上盖的横剖面示意图，18承接口13的贯穿孔；其余标号同前。
图6中显示膜束安置体上盖的俯视示意图，标号同前。
应用举例-
将制备的多根致密中空纤维陶瓷透氧膜束1，用有机高温密封剂10密封在中空纤维陶瓷 透氧膜束接头2中，所用的密封剂有机高温密封剂常温下有一定流动性，且可承受300~500 'C的温度；再将膜束接头2固定连接在中空膜束安置体4上盖19的中空膜束接头承接口 13 中，膜束接头2的外缘与承接口 13内缘间隙是螺纹配合时，采用不锈钢螺纹连接和密封；若 膜束接头2的外缘与承接口 13内缘间隙是承插配合时，则可采用标准玻璃磨口连接和密封。
在中空膜束安置体4内部安置一热交换器3 (图中显示为盘管，也可采用列管或其他合 适的形式)，空气从膜束安置体4底部20的入口 5进入热交换器换热管3内，与膜束安置体 4腔内高温氧气进行换热后，从膜束安置体4的上盖19的空气出口6进入高温炉膛21内； 为避免中空纤维膜束与膜束接头2间的装填密封剂处的温度过高，在安置体上盖19的承接口 13与电炉入口之间安置一隔热板8，此隔热板要求具有较好隔热性能，如用耐火砖制成，同 时，在隔热板8上面和中空膜束之间也可填塞石棉等隔热材料。在中空膜束安置体4的下段 侧面设置有出口管7 (氧气出口)，通过管道与无油负压源如无油真空泵相连，经过热交换后 的氧气经过无油负压源后即可收集和应用。
中空膜束承接口 13与中空纤维膜膜束接头2相匹配，可以方便连接和密封。中空膜束承 接口 13对称分布在中空膜束安置体上盖19上，各承接口 13之间的距离要求尽可能小，但必 须便于中空膜束接头的拆卸和安装， 一般为3 10mm。
空分制氧时，将中空纤维陶瓷透氧膜组件置于高温电炉的下端，膜组件连接到一无油真 空泵，加热到800~1100°C，开启真空泵使中空膜束安置体内的压力小于0.2大气压，这样从 真空泵抽出的气体即为纯氧气。氧气产量的大小除了主要取决于中空纤维膜管的多少外，还 可通过调节中空膜束安置体4内的真空度和电炉的温度来控制。
经试用，用一含有4 20根直径为cD2 mm，长度为40 cm的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-a (简 称LSCF)中空纤维膜束接头和一金属中空膜束安置体组成中空纤维膜组件，在1050'C和真 空度为98kPa的条件下，制氧速率为80 cm"min，按实际透氧膜管面积计算，其氧气透量为 3.64 mL/Cm2.min，按此计算，含500根LSCF中空纤维膜管的膜组件，其制氧能力可达5.71 L/min，或每小时氧气产量为0.34 m3。该膜束组件采用硅橡胶密封剂，达到了很好的密封效 果；根据需要可以很方便有效地调节中空膜束装填密度，安装、拆卸和更换维护膜管相当方 便。
权利要求1.一种用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件，其特征是所述的组件由中空纤维膜束安置体(4)，隔热板(8)保护罩(22)依次联接构成；其中a.膜束安置体(4)的上盖设置多个承接口(13)，膜束安置体(4)的腔内设置热交换器(3)，膜束安置体(4)的出口管(7)连接无油负压源；b.耐火材质的隔热板(8)设置在承接口(13)的上面，设置与承接口(13)数目相同的贯穿孔和承接口(13)贯通；c.多根陶瓷中空纤维透氧膜组成陶瓷中空纤维透氧膜束(1)，膜束(1)的开口一端穿过膜束接头(2)，并列密封定位在膜束接头(2)体内，膜束(1)的开口端(12)伸出膜束接头(2)体外与膜束安置体(4)腔内相通，膜束接头(2)逐一安置在承接口(13)内，膜束接头(2)的外缘与承接口(13)内缘间隙配合；d.耐高温材质的保护罩(22)设置在隔热板(8)的上面，罩住陶瓷中空纤维膜束(1)的闭合端(12)，保护罩安置在膜束安置体的上盖；e.热交换器(3)设置在管束安置体(4)腔内，空气入口(5)穿过膜束安置体(4)底部连接大气，空气出口(6)穿过膜束安置体(4)的上盖和隔热板(8)进入高温炉膛(21)内。
2. 按照权利要求1所述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件，其特征是 所述组成陶瓷中空纤维透氧膜束(l)的陶瓷中空纤维透氧膜，设置为一端封闭另一端开口的结 构。
3. 按照权利要求2所述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件，其特征是 所述陶瓷中空纤维透氧膜，其管壁是不对称复合结构，外层是分离层内层是支撑层，分离层 厚度为1 100 ^m，支撑层厚度为50 1000 ^m。
4. 按照权利要求1所述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件，其特征是 所述膜束接头(2)的外缘与承接口 (13)内缘间隙配合是螺纹配合。
5. 按照权利要求1所述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件，其特征是 所述膜束接头(2)的外缘与承接口似内缘间隙配合是承插配合。
6. 按照权利要求1所述的用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件，其特征是 所述膜束接头(2)的外缘与承接口(13)内缘间设置弹性垫圈。
专利摘要本实用新型是一种用于空气分离制氧的陶瓷中空纤维透氧膜管束组件。由中空纤维膜束，安置体，隔热板，保护罩依次联接构成；其膜束安置体上盖设多个承接口，腔内设热交换器，出口管连接无油负压源；隔热板设在承接口上，设贯穿孔和承接口贯通；多根陶瓷中空纤维透氧膜组成陶瓷中空纤维透氧膜束，开口并列密封定位在膜束接头体内，逐一安置在承接口内并与膜束安置体腔内相通，膜束接头外缘与承接口内缘间隙配合；保护罩设在膜束安置体上盖的隔热板上，罩住陶瓷中空纤维膜束闭合端；空气入口穿过膜束安置体底部连接大气，空气出口穿过膜束安置体上盖进入高温炉膛。结构合理，材质易得，制备简便，易密封；操作拆卸和维护方便，成本低，实用性好。
文档编号B01D63/02GK201175650SQ20072002984
公开日2009年1月7日 申请日期2007年10月24日 优先权日2007年10月24日
发明者波 孟, 孟秀霞, 庞兆宝, 杨乃涛, 谭小耀 申请人:山东理工大学