低温空气分离的超导磁分离器、分离装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空气分离，尤其涉及利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导磁分离器、分离装置及方法。
【背景技术】
[0002]工业气体是现代工业的“血液”，其应用遍及钢铁、冶金、化工、造船、汽车、医药、食品、电子、石油、航空航天等诸多重要领域。随着经济快速发展，工业气体的需求激增。据美国空气产品公司(APCI)预测:截至2015年全球工业气体市场年增长9%，达到960亿美元；亚洲市场年增长14%，而中国增长将高达19%。然而，工业气体生产中高能耗、高成本问题已成为制约工业气体行业乃至相关产业快速发展的突出瓶颈。
[0003]工业气体大都来自空气分离，其中氧、氮、氩气的需求量最大。空气分离的方法主要有低温精馏法、变压吸附法(PSA)、薄膜分离法、化学吸收法等多种。近年来，煤化工、石油化工、金属冶炼等行业不断推动着空气分离成套装备向着大型化、节能化和智能化方向发展。
[0004]除利用沸点差异实现低温精馏分离外，磁化率的差异也是可资利用的重要特性。氧气是顺磁性气体，其正磁化率为常见气体中最大。标准状态下，氧气的磁化率绝对值约为氮气的300倍；而氮气是逆磁性气体，磁化率较低且为负值，其磁化率大小基本不随温度而改变。氧氮混合物在梯度磁场中将受到方向相反的磁场力作用，因而呈现出相反的磁性流动行为，这为利用梯度磁场作用实现空气分离提供了理论依据。吴平等在专利文献ZL200510086240.9中提出了采用两块永磁铁叠放，利用其围成的磁场空间实现连续富氧的方法。磁场空间边界处指向空间内部的场强梯度起到了拦截氧气的作用，而逆磁性的氮气可以自由溢出磁场空间，这样在磁场空间内实现了氧气的连续富集，该富氧装置实验中单级最大氧气富集程度为0.65%。王喜魁等在专利文献ZL200820010636.4和ZL200820010635.X中提出了两种小型带钢毛的高梯度空气分离装置，利用含铬不锈钢毛强化梯度磁场。磁力空气分离装置简便、能耗低，但普遍存在着产品纯度低的缺点。
[0005]为了提高磁力空气分离装置的效率及产品纯度，可以采用增强磁场强度、梯度，降低操作温度，与其它空气分离手段耦合作用等方法。邱利民等在专利文献ZL2014201361163中提出了一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，可以利用低温精馏与磁分离的耦合作用实现高纯度的空气分离。
【发明内容】
[0006]针对现有磁力空气分离装置中存在的问题，本发明提供一种高效率、高纯度的利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导磁分离器、分离装置及方法。
[0007]—种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的方法，其特征在于，包括:使液态或超临界状态的空气在超导薄膜表面流过，超导薄膜内存在贯通的微孔，由于迈斯纳效应，微孔的两端将形成很高的磁场梯度，产生对于氧分子的反向作用力，从而透过薄膜的流体为氮气，截留的流体为氧气。
[0008]氧气是顺磁性气体，常温常压下其磁化率绝对值约为氮气的300倍，空气中的氧分子将受到朝向磁场强度增大方向的磁化力。同时，由于顺磁性气体遵从居里定律(磁化率与热力学温度成反比)，低温下氧气的磁化率将大幅提高，磁分离的作用将显著提升；相反地，氮气只具有相当微弱的逆磁性，且磁化率大小与温度无关，氮分子的运动基本不受磁场的影响。
[0009]所述超导薄膜放置在高强度磁场中，高强度磁场由外磁体提供，外磁体可采用超导磁体提供。处于超导状态的薄膜在外加磁场下将产生迈斯纳效应，即薄膜表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场与外加磁场大小相等、方向相反，因而超导体完全排出了外部磁场，超导体外部的磁感线将绕过超导体传播。
[0010]所述超导薄膜内部存在贯通的微孔，由于迈斯纳效应，微孔的两端将形成很高的磁场梯度。当空气流经超导薄膜的一侧表面时，空气中的氧分子在微孔端部附近将受到朝向超导薄膜外侧的磁化力作用，从而被拦截在孔外，而氮分子可以无阻碍地通过微孔运动到超导薄膜的另一侧。
[0011 ] 所述空气原料处于低温液体或超临界气体状态，原料本身将提供超导磁体和超导薄膜维持超导状态所需的低温。当原料为液态时，可以利用重力维持超导薄膜两侧的压力差。当原料为超临界状态时，原料中的组分扩散系数更高，有利于氮气分子透过薄膜实现分离，但需要额外的压力以提供流体透过薄膜所需的动力。
[0012]本发明还提供了一种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导磁分离器，包括带有空气原料进口、氧气出口和氮气出口的外壳，以及设于外壳内的分离芯体，所述分离芯体包括:
[0013]用于提供磁场的外磁体；
[0014]至少一部分为多孔超导薄膜的分离元件，该分离元件设置在所述外磁体磁场内部；
[0015]所述多孔超导薄膜一侧与自空气原料进口进入的空气原料接触，用于收集氧气，并通过氧气出口排出；所述超导体另一侧用于收集穿过所述孔结构的氮气，然后经氮气出口排出。
[0016]分离元件可采用管体结构或者可采用板状结构。
[0017]作为优选，所述分离元件为由超导薄膜围成的多孔管，多孔管两端分别与空气原料进口和氧气出口导通。作为进一步优选，所述多孔管为多个。采用该技术方案时，所述超导磁分离器可采用管壳式分离器。所述管壳式分离器包括壳体、端盖以及设置在壳体内的超导磁体、分配段以及多孔管束，超导磁体环绕多孔管束布置，分配段布置在多孔管束的入口和出口处。壳体、端盖构成了上述外壳。
[0018]原料空气经入口通过分配段均匀分布到管束中的每一根多孔管中，由于多孔管内壁附近存在梯度磁场，氧气被截留在多孔管内由氧气出口流出，而氮气侧流透过管壁由壳体上的氮气出口流出。
[0019]作为优选，所述多孔管包括:
[0020]位于外部的支撑层；
[0021]同轴固定在支撑层内的超导薄膜层；
[0022]设于支撑层与超导薄膜层之间的多孔阻尼层。
[0023]上述方案中，所述多孔管束中的每一根多孔管都由三层构成，由内至外分别为超导层、阻尼层和支撑层。超导层的作用是产生分离所需的梯度磁场，阻尼层的作用是维持原料空气侧和氧气、氮气侧的压力差，从而控制透过物和截留物的比例，支撑层的作用是保持管壁的强度。
[0024]作为优选，所述分离元件为空腔结构的筛板，该筛板中一侧侧壁为多孔超导薄膜，该侧为空气原料的迎接侧；所述筛板与外壳内壁之间留有空气流道；所述筛板侧壁设有氮气排出口。
[0025]作为优选，所述筛板为多个，多个筛板交错设置，形成迂回的空气流道结构。该技术方案中，所述超导磁分离器为板框式分离器，所述板框式分离器包括壳体、端盖以及设置在壳体内的超导磁体、导流板、筛板以及增压器，超导磁体布置在筛板两侧，导流板布置在空气原料的入口处，筛板侧面的透过物出口与增压器相连。壳体、端盖构成了上述外壳。
[0026]作为优选，所述外壳上设有与每个筛板对应的氮气回流口 ；对于其中一个筛板，其氮气排出口与上一级筛板的氮气回流口连通。所述筛板上表面为多孔超导薄膜，内部中空。原料空气从筛板上表面横向流过，由于多孔薄膜表面存在梯度磁场，氧气被截留在筛板上方，继而流向下一级筛板，而氮气透过多孔薄膜流向筛板内部，由筛板侧面流出，进入增压器增压后回流到上一级筛板。
[0027]本发明同时提供了一种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的装置，包括吸附器、与吸附器出口依次连通的压缩机、换热器、超导磁分离器、氧储罐和氮储罐，所述超导磁分离器为上述任一技术方案所述的利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导磁分离器。
[0028]作为优选，所述超导磁分离器为多级。多个所述超导磁分离器顺次连接，磁分离器侧面的氮气出口与上一级超导磁分离器的原料入口相连。最上一级的超导磁分离器的氮气出口与换热器和氮储罐顺次连接，最下一级超导磁分离器的氧气出口与换热器和氧储罐顺次连接。
[0029]原料空气流经吸附器排除二氧化碳和水等杂质，然后通过压缩机压缩至较高压力，高压的空气在换热器中被制冷工质和回流的氧气、氮气冷却到超导磁分离器的操作温度，然后通过多级超导分离器实现高纯度分离。
[0030]作为优选，抽取一部分经压缩和冷却后的空气在透平膨胀机中膨胀吸热作为所述制冷工质。
[0031]本发明利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离，超导磁体产生的高强度磁场作用于多孔超导薄膜，通过超导薄膜内的迈斯纳效应营造用于分离的高梯度磁场，可以获得高品质氧气和氮气产品。相比于传统的磁力空气分离，本发明磁场强度、梯度更高，低温的原料空气中氧分子的磁化率成倍增大，并且可以提供磁体和薄膜维持超导状态所需的冷量，因此分离效率、产品纯度更高，在化工、冶炼、医疗等需要提供高纯度氧气的领域有着广阔的应用空间。
【附图说明】
[0032]图1是超导薄膜周围的磁场分布示意图；
[0033]图2是空气在薄膜表面分离的原理示意图；
[0034]图3是利用超导迈斯纳效应的空气分离流程图；
[0035]图4是管壳式超导分离器结构示意图；
[0036]图5是空气经多孔管分离的原理简图；
[0037]图6是板框式超导分离器结构示意图；
[0038]图7是板框式超导空气分离的原理简图。
[0039]上述附图中:
[0040]1.超导薄膜，2.超导磁体，3.磁感应线，4.吸附器，5.压缩机，6.换热器，7.超导磁分离器，8.氧储罐，9.氮储罐，10.多孔管束，11.壳体，12.超导磁体，13.端盖，14.阻尼层，15.支撑层，16.筛板，17.增压器，18.导流板。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0042]—种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的方法，包括使液态或超临界状态的空气在超导薄膜表面流过