一种利用透氧膜分离空气制备纯氧的设备及工艺

本发明属于空气分离，具体涉及利用透氧膜材料进行空气分离制备纯氧的设备及工艺。

背景技术：

1、利用透氧膜材料进行空气分离制纯氧是一种全新的氧气制备工艺，相对于传统工艺深冷精馏和变压吸附具有占地小、投资少、运行能耗低、产品纯度高等优点。通常情况下，透氧膜材料分离制纯氧过程需要在800℃～1100℃高温度条件下运行，为了提高透氧量，分离体系压力可达到0.1mpa～5mpa，为了满足高温和高压，膜分离过程中所需的换热器、膜分离器、配套阀门和管道均需要特殊的合金材料或定制材料，增加了膜分离设备的研发和建设成本；而且，膜分离过程的高温条件容易造成热量损耗从而增加运行能耗。研究开发一种新的利用透氧膜分离空气制备纯氧的设备及工艺成为当前亟待研究的重要课题。

技术实现思路

1、为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种利用透氧膜分离空气制备纯氧的设备及工艺。将多个换热器、膜分离器进行了耦合设计，耦合系统采用常规陶瓷材料和普通金属材料，能有效降低成本，而且耦合式设计能回收和充分利用热量，降低运行能耗。

2、本发明目的是通过以下方式实现：

3、本发明提供一种利用透氧膜分离空气制备纯氧的设备，所述设备主要包括进料系统、阀控系统、耦合系统、补气系统、收集系统、分析计量元件。

4、进一步的，所述的进料系统由通过管道依次连通的除尘器、除湿器、进料泵或鼓风机、流量计、缓冲罐、增压设备组成，进料泵或鼓风机通过变频器控制。

5、进一步的，所述的阀控系统由气动截止阀组或电动截止阀组组成，截止阀组由通过管道依次串联连通的截止阀i、截止阀ii、截止阀iii、截止阀iv组成，进料系统中的增压设备输出口分别与截止阀i的另一端口和截止阀iv的另一端口连通，截止阀i和截止阀ii之间通过管道与耦合系统中换热器i的远离加热器的一端连通，截止阀iii和截止阀iv之间通过管道与耦合系统中换热器ii的远离加热器的一端连通，截止阀ii和截止阀iii之间通过管道与大气连通，管道上设置有分析计量元件。

6、进一步的，所述的耦合系统为密闭系统，外侧设置有多层保温材料和金属外壳，所述的耦合系统由换热器i、换热器ii、膜分离组件和加热器组成，加热器设置于耦合系统中部，换热器i和换热器ii分别设置于加热器的两侧，且呈对称分布，膜分离组件主要包括一组一端密封的中空管状透氧膜和金属配件，密封端的管状透氧膜部分嵌入到加热器的内部空腔中，管状透氧膜的另一端穿过耦合系统通过管道与收集系统连通。

7、进一步的，所述的补气系统由通过管道依次连通的除尘器、除湿器、进料泵或鼓风机、流量计、增压设备组成，进料泵或鼓风机通过变频器控制，所述的补气系统中的增压设备的输出口通过管道由膜分离组件的密封接口附近进入耦合系统中的空气分离区。

8、进一步的，所述的收集系统由通过管道依次连通的缓冲罐、真空泵、流量计和储存罐，储存罐上设置有分析计量元件，缓冲罐的输入口通过管道与透氧膜的输出端连通。

9、进一步的，所述的分析计量元件由氧分析仪、色谱设备组成。

10、进一步的，截止阀i和截止阀iii为第一组截止阀，同时开启或关闭，截止阀ii和截止阀iv为第二组截止阀，同时开启或关闭，第一组截止阀和第二组截止阀的开闭状态相反。

11、进一步的，膜分离组件嵌入方式为上方嵌入、下方嵌入、侧方向嵌入中至少一种。

12、进一步的，膜分离组件中透氧膜的数量为1～1000根，透氧膜的总长度为100～1000mm，透氧膜外径为3～10mm。

13、进一步的，嵌入到加热器内部空腔中的透氧膜长度占透氧膜总长度的50％～80％。

14、进一步的，膜分离组件和耦合系统连接处采用低温密封材料密封，膜分离组件中透氧膜和金属配件的密封接口处采用常温或低温密封材料密封，部分透氧膜和金属配件密封接口位于耦合系统外。

15、进一步的，所述的换热器i和换热器ii采用蓄热式换热器，换热材料为金属颗粒、金属孔板、金属毛细管、陶瓷颗粒、蜂窝陶瓷中至少一种，换热材料的材质包括不锈钢、铜、铝合金、铝质瓷、莫来石、堇青石中至少一种。

16、进一步的，所述的换热器i和换热器ii具有相同的结构形式、气体阻力、蓄热能力，分别实现常温空气的换热升温和高温气体的换热降温，根据气体流向变更，换热器i和换热器ii可实现功能更换。

17、进一步的，所述的加热器的加热元件为电热丝、电热管、硅碳棒、硅钼棒中至少一种，加热元件布置方式为竖式、卧式或两种的复合。

18、本发明另一方面提供上述的设备制备纯氧的工艺，具体包括如下步骤：

19、(1)开启进料泵或鼓风机，大气中常温常压空气经除尘器净化，除湿器除湿后进入进料泵或鼓风机，经过流量计计量后进入缓冲罐，通过增压设备增加进气压力；

20、(2)增压设备输出的定量空气进入阀控系统，通过控制截止阀i、截止阀ii、截止阀iii、截止阀iv的定时开启或关闭，改变进料空气的流向，定时以正向和逆向进入耦合系统；

21、(3)截止阀i和截止阀iii同时开启，截止阀ii和截止阀iv同时关闭时，进入耦合系统的空气首先经换热器i换热，换热器i内的蓄热材料释放热量降温，空气吸收热量升温，然后经过加热器，空气温度进一步升温，高温空气中的氧气透过透氧膜进入到膜管腔内，在真空泵的驱动下进入到储存罐中；未透过透氧膜的富氮气体与换热器ii换热，气体温度降低，经过计量和分析后直接排放到大气；补气系统根据耦合系统中气体组分和流量的变化，将大气中的常温常压空气通过除尘器净化、除湿器除湿、经过流量计计量、增压设备增压后，精确控制补气量，保持系统压力稳定；

22、(4)截止阀i和截止阀iii同时关闭，截止阀ii和截止阀iv同时开启时，进入耦合系统的空气首先经换热器ii换热，换热器ii内的蓄热材料释放热量降温，空气吸收热量升温，然后经过加热器，空气温度进一步升温，高温空气中的氧气透过透氧膜进入到膜管腔内，在真空泵的驱动下进入到储存罐中；未透过透氧膜的富氮气体与换热器i换热，气体温度降低，经过计量和分析后直接排放到大气；补气系统根据耦合系统中气体组分和流量的变化，将大气中的常温常压空气通过除尘器净化、除湿器除湿、经过流量计计量、增压设备增压后，精确控制补气量，保持系统压力稳定。

23、进一步的，进入耦合系统的空气经换热器i或换热器ii换热后温度升至500℃～800℃，加热器进一步将空气温度提升至850℃～1100℃，富氮气体经换热器i或换热器ii换热后温度降低到30～50℃。

24、进一步的，耦合系统的压力保持在0.1mpa～5mpa。

25、本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

26、本发明通过将多个换热器、膜分离器进行了耦合设计，构成耦合系统，避免使用价格昂贵的耐高温高压合金材料或定制材料，仅需常规陶瓷材料和普通金属材料即可，降低了设备投资成本；实现了多个过程的高度集中，减少了占地空间；能充分回收和利用热量，有效降低膜分离过程能耗；能精准调节和稳定分离过程，适合长周期运行。该工艺基于管状膜、中空纤维膜、中空片状膜等透氧膜组件，直接利用大气中的空气进行分离，以较低的能耗连续制备氧气，产品纯度≥99％。