一种分离回收O2和O3的方法及装置与流程

本发明属于氧气回收技术领域，具体涉及一种分离回收O₂和O₃ 的方法及装置。

背景技术：

氧在自然界中具有广泛的分布，在众多的工业领域，均需要用氧气。

目前，臭氧已经被广泛应用于水处理、医药、食品工业等众多领域。众所周知，现有技术中典型的臭氧发生工艺使用O₂生产O₃，具有相对短的半衰期，因此臭氧总是通过臭氧发生器现场生产。臭氧发生器的主要原理是电晕式放电，在臭氧发生器中，电晕放电元件的存在提供了一个电容式负载，O₃由O₂在放电的直接作用下产生。这种电晕式放电使稳定的氧分子破裂并形成两个氧自由基，这些自由基可以与氧分子结合形成O₃。在多数情况下，只有10%的供应O₂被转化为O₃，未转化的O₂与所需的O₃一起被导入应用中并被浪费。分离和回收利用O₂将使O₂的总消耗量降低约80％。

人类活动产生的污染物气体主要包括初级污染物和刺激污染物。其中初级污染物主要包括：硫氧化物（SOx），特别是二氧化硫，化学式为SO₂的化合物，煤和石油通常含有硫化合物，其燃烧后产生二氧化硫；氮氧化物（NOx），氮氧化物，特别是二氧化氮，在高温燃烧下产生；一氧化碳（CO），CO无色，无味，有毒，但无刺激性，由燃料（如天然气、煤或木材）不完全燃烧产生；挥发性有机化合物（VOC），VOC是一种众所周知的室外空气污染物，分为甲烷（CH4）和非甲烷（NMVOCs）两类；颗粒物，又名颗粒物质（PM），大气颗粒物质，或细微颗粒物，是悬浮在气体中的固体或液体状微小颗粒；氨（NH₃），产生于农业生产过程，氨指化学式为NH₃的化合物，通常以气体形式存在，具有刺激性气味。次级污染物包括：由气态初级污染物和光化学烟雾中的化合物产生的颗粒物，烟雾是一种空气污染，典型的烟雾由大量燃煤的区域中烟气和二氧化硫的混合物造成，现代烟雾通常不来自煤，而是来自车辆和工业的废气排放，其在大气中在太阳紫外线的作用下形成次级污染物，并与初级污染物结合形成光化学烟雾；地面臭氧由NOx和VOC形成，臭氧（O₃）是对流层的主要组份，也是特定区域的平流层（常称为臭氧层）的重要组份，光化学和化学反应中有许多涉及臭氧驱动的在大气层中日夜发生的化学过程，然而在因人类活动（多为化石燃料的燃烧）造成的反常高臭氧浓度的情况下，臭氧也是一种污染物，同时是烟雾的组分之一；过氧乙酰硝酸酯（PAN）。

由于占地面积小，能源效率高，模块化设计便捷的特点，膜技术对于现有工艺来讲，是潜在的替代方案。可能用到膜技术的主要气体分离包括：1）分离H₂/CO₂以制备燃料电池所用的氢气；2）用于烟气或石灰炉废气中的CO₂/N₂分离，以便隔离CO₂；3）用于天然气处理或沼气净化中的CO₂/CH₄分离；4）分离O₂/N₂以制备富氧空气或纯氮气。从加油站或油田空气中通过膜回收有机蒸汽，可减少大气中污染物的排放，同时提高工艺效率和经济收益。气体和/或蒸汽的选择性分离要求薄膜能够根据分子性质进行分离。这种薄膜可以是无机多孔膜，例如沸石或介孔硅石，根据分子尺寸或渗透种类的可冷凝性进行分离。膜的材质也可以为金属，多用于氢气的分离，根据进行化学分裂和重化合反应的可能性来实现。市售最常见且种类最多的薄膜是高分子膜，其分离依据俗称为溶液扩散机制的原理。尽管存在一些内在限制，使用高分子膜进行气体分离研究的主要目标之一便为材料研究，以求突破此类限制。现今使用分子设计和建模技术，一方面用于支持和解释试验结果，另一方面用于预测膜的性能。

因此，从大气空气及臭氧发生器中分离和回收氧气，具有现实的意义和一定的经济价值，本发明的目的是提供一种利用高分子膜系统分离回收O₂和O₃ 的方法及装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种分离回收O₂和O₃ 的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种分离回收O₂和O₃ 的方法，是从大气空气中分离回收O₂和O₃的方法，步骤为：使用风机收集大气空气，并使其逐级通过多个气体分离过滤器，分离回收O₂和O₃，并将大气空气的其余成分释放到大气中。

进一步地，所述的气体分离过滤器为高分子膜过滤器。

上述一种分离回收O₂和O₃ 的方法，具体步骤为：

（1）使用风机收集大气空气，使其进入第一级高分子膜过滤器以分离去除N₂和CO，N₂和CO经过管道和减震装置后被重新释放到大气空气中，剩余气体通过管道进入第二级高分子膜过滤器；

（2）气体在第二级高分子膜过滤器内分离去除NO，NO经过管道和缓冲装置后被重新释放到大气空气中，剩余气体通过管道进入第三级高分子膜过滤器；

（3）气体在第三级高分子膜过滤器内分离O₂，O₂通过管道被导入O₂处理系统中回收利用，剩余气体通过管道进入第四级高分子膜过滤器；

（4）气体在第四级高分子膜过滤器内分离去除NO₂和CO₂，NO₂和CO₂经过管道和缓冲装置后被重新释放到大气空气中，剩余气体通过管道进入第五级高分子膜过滤器；

（5）气体在第五级高分子膜过滤器内分离O₃ ，O₃通过管道导入臭氧工艺回收利用，剩余气体经过管道和缓冲装置后被重新释放到大气空气中。

用于完成上述分离回收O₂和O₃ 的方法的装置，包括通过管路依次连接的风机、第一级高分子膜过滤器、第二级高分子膜过滤器14、第三级高分子膜过滤器、第四级高分子膜过滤器、第五级高分子膜过滤；其中所述的第一级高分子膜过滤器通过第一级管道连接第一级减震装置；所述的第二级高分子膜过滤器通过第二级管道连接第二级减震装置；所述的第三级高分子膜过滤器通过第三级管道与O₂处理系统连接；所述的第四级高分子膜过滤器通过第四级管道连接第四级减震装置；所述的第五级高分子膜过滤分别通过臭氧管道与臭氧工艺连接，通过第五级管道连接第五级减震装置。

更进一步地，一种分离回收O₂和O₃ 的方法，是从工业臭氧发生中分离O₂和O₃，然后回收利用O₂的方法，步骤为：通过O₂供给系统向臭氧发生器供给O₂，臭氧发生器将O₂ 部分转化为O₃，将臭氧发生器排出的O₂ 和O₃ 的混合气体通过高分子膜过滤器，将O₃和O₂分离，分离出的O₂导入回收到O₂供给系统，分离出的O₃进入工业应用。

用于完成上述一种分离回收O₂和O₃ 的方法的装置，包括O₂供给系统、O₂储存容器、臭氧发生器、高分子膜过滤系统，所述的O₂供给系统、O₂储存容器和臭氧发生器通过管路依次连接，所述的臭氧发生器的排气口与高分子膜过滤系统连通，O₂ 和O₃ 的混合气体在高分子膜过滤系统分离，所述的O₂ 通过管路回收输入到O₂储存容器，O₃进入工业应用。

所述的高分子膜为陶瓷材料制成的聚酰胺膜。

在一个典型的高分子膜应用中，气体混合物可以通过由高分子聚合物（如陶瓷材料制成的聚酰胺）制成的膜来进行有效分离。膜可以作为一个可渗透障碍层来分离气体混合物，不同的化合物在通过该可渗透障碍层时，或以不同的速率通过，或无法通过。膜可以是高分子聚合物等，而气体分子的渗透则根据其尺寸，扩散率，或溶解度而有所不同。此外，已知高分子膜可分离最小的分子，如O₂，CO₂，O₃等。每类膜根据各自应用设计，以分离特定压力和流量下的目标分子。

此外，本领域技术人员来会了解主要存在3种扩散机制：（a）分子筛是指由于膜孔太小而不能使成分通过的情况，由于气体分子过小，此机制不适用于气体应用中；（b）克努森扩散（Knudsen diffusion）发生在非常低的压力下，其中较轻的分子在稳定较大孔隙中能更快地移动。在这类情况下，分子运动的最好描述为压差驱动下的过细管对流，可以使用达西定律（Darcy's Law）量化；（c）然而，气体应用中的更常用的模型是溶液扩散，其中粒子先溶解在膜表面，然后以不同的速率扩散通过膜。在本发明的一个或多个实施例中，图2表示该技术适用于当高分子膜中孔隙的出现和消失相对快于粒子的运动的情况下。

与现有技术相比，本发明可以实现从大气空气或臭氧发生系统分离回收O₂和O₃ 的目的，并可广泛推广于工业应用，具有一定的环保和经济价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例和现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为臭氧发生中O₂和O₃的分离装置结构示意图；

图2为分子扩散示意图；

图3为典型的高分子膜示意图；

图4为从大气中分离O₂和O₃的系统示意图。

具体实施方式

为对本发明有更透彻的理解，下面将结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，并在以下实施例的详细说明中对许多细节进行阐述。然而，对于本领域技术人员而言，即使没有这些细节描述，本发明也可以实施。除此之外，本发明并没有对公知常识进行详细的介绍，以避免因不必要的描述而冗长。

实施

如图1所示的臭氧发生中O₂和O₃的分离装置，包括O₂供给系统1、O₂储存容器2、臭氧发生器3、高分子膜过滤系统4，所述的O₂供给系统1、O₂储存容器2和臭氧发生器3通过管路依次连接，所述的臭氧发生器3的排气口与高分子膜过滤系统4连通，O₂ 和O₃ 的混合气体在高分子膜过滤系统4分离，所述的O₂ 通过管路回收输入到O₂储存容器2，O₃进入工业应用。

运行时，供应气体O₂从O₂供给系统1通过一系列典型的管道排布被导入O₂的储存容器2中，原料气体O₂从O₂储存容器2中通过泵被导入臭氧发生器3中，在此O₂被转化为O₃，臭氧发生器3中产出的O₃和（未被转化的）O₂被导入高分子膜过滤系统4，并在此进行分离，纯O₃通过管道和辅材配件的网络被导入控制面板，通过典型管道排布流经控制阀和流量计，随后被导出控制面板进入具体应用，其中O₃可以被输送到锅炉的废气流中，用于将NO转化成NO₂；O₂经高分子膜过滤系统4与O₃分离，并通过管道和辅材配件的网络被导入循环泵，经过循环泵的O₂通过一系列典型的管道排布被导回到O₂储存容器2中。

在本发明的一个或多个实施例中，图2显示了在不同应用中的分子扩散，其中5为流动体通过孔，6为通过孔的扩散，7中显示了分子筛过程，8显示了溶液扩散通过致密膜。

图3所示为典型的高分子膜系统，进料管9所进物料被分离成两种组分，包括渗透物和滞留物，其中渗透物是穿过膜后，通过管路10排出的气体，滞留物是剩余下来的，通过管路11排出的气体。每种物质通过膜的难易性可用渗透率P_i量化。假设膜两边为理想混合，使用理想气体定理，恒定扩散系数，和亨利定律，由菲克定律（Fick's Law）可知,物质的流通量与压力差有关。

实施例2

如图4所示的从大气中分离O₂和O₃的装置，包括通过管路依次连接的风机12、第一级高分子膜过滤器（PMF-01）13、第二级高分子膜过滤器（PMF-02）14、第三级高分子膜过滤器（PMF-03）15、第四级高分子膜过滤器（PMF-04）16、第五级高分子膜过滤（PMF-05）17，所述的第一级高分子膜过滤器（PMF-01）13通过第一级管道18连接第一级减震装置19，所述的第二级高分子膜过滤器（PMF-02）14通过第二级管道20连接第二级减震装置21，所述的第三级高分子膜过滤器（PMF-03）15通过第三级管道22与O₂处理系统连接，所述的第四级高分子膜过滤器（PMF-04）16通过第四级管道23连接第四级减震装置24，所述的第五级高分子膜过滤（PMF-05）17分别通过臭氧管道24与臭氧工艺连接，通过第五级管道25连接第五级减震装置26。

运行时，大气空气通过安装于装置侧面的风机被吸入装置中，混合的大气气体由风机12引导通过第一级高分子膜过滤器（PMF-01）13，从混合大气气体中分离出N₂和CO，N₂和CO在经过系列第一级管道18和第一级减震装置19后被重新释放到大气空气中；剩余的大气气体被输送到第二级高分子膜过滤器（PMF-02）14，在此将NO从混合气体中分离，NO在第二级高分子膜过滤器（PMF-02）14后通过第二级管道20和第二级缓冲装置21被重新释放到大气空气中，第二级高分子膜过滤器（PMF-02）14中的剩余大气气体被导入第三级高分子膜过滤器（PMF-03）15，在此O₂与其他大气气体分离，并通过系列第三级管道22被导入工业工厂O₂处理系统中；剩余的混合大气气体由第三级高分子膜过滤器（PMF-03）15被导入第四级高分子膜过滤器（PMF-04）16中，在此NO₂和CO₂从大气的混合气体中分离，并通过系列第四级管道23和第四级缓冲装置24被重新释放到大气空气中，剩余的混合大气气体由第四级高分子膜过滤器（PMF-04）16被导入最后的第五级高分子膜过滤器（PMF-05）17，在此O₃被分离，并通过系列臭氧管道24被导入工业工厂的臭氧工艺应用中；剩余的混合大气气体在第五级高分子膜过滤（PMF-05）17后通过系列第五级管道25和第五级缓冲装置26被重新释放到大气空气中。

在本发明的一个或多个实施例中，本发明装置吸入大气空气，在此处理混合气体包括N₂、O₂以及大气中所包括的其他混合气体，从此混合气体中提取出O₂和O₃，提取顺序和处理阶段数不仅限于图4所示布置方式，本领域的技术人员应该了解，任意阶段数的任意排列顺序均不脱离本发明的公开范围。