本發(fā)明為陶瓷透氧膜分離空氣制氧裝置的范疇，具體是涉及一種基于中空纖維陶瓷透氧膜的模塊化制氧裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)及其他領(lǐng)域都廣泛使用純氧，純氧的應(yīng)用可以增加產(chǎn)量、減少排放、降低成本，對(duì)資源的高效利用和環(huán)境保護(hù)有著積極的作用。傳統(tǒng)的氧分離主要采用空氣低溫分餾工藝(Cryogenic Separation)和壓力回旋吸附法(Pressure Swing Adsorption)，但通常設(shè)備投資大、功耗高、效率低。近年來(lái)，陶瓷透氧膜制氧方面的研究取得了較大的發(fā)展，當(dāng)材料兩側(cè)存在一定氧濃度梯度時(shí)，氧將以氧離子的形式通過(guò)晶格中動(dòng)態(tài)形成的氧離子缺陷(氧空位)以跳躍的形式從高氧分壓端向低氧分壓端傳導(dǎo)，同時(shí)電子通過(guò)可變價(jià)金屬離子之間的跳躍反向傳導(dǎo)。由于具有高的氧離子和電子的混合導(dǎo)電能力，此類材料不需要外加電路就可以完成氧的傳輸過(guò)程，并且氧的傳輸是以晶格振動(dòng)的形式進(jìn)行的，理論上透氧膜對(duì)氧的選擇性為100％。因此，透氧膜在需連續(xù)供應(yīng)純氧的工業(yè)過(guò)程(如甲烷部分氧化反應(yīng)、氧化偶聯(lián)反應(yīng)等)和需要氧分離的工業(yè)過(guò)程(如CO₂的分解反應(yīng)等)中具有非常誘人的應(yīng)用前景。

陶瓷透氧膜按其微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為對(duì)稱膜和非對(duì)稱膜。對(duì)稱膜(如片狀或管狀結(jié)構(gòu))由于孔隙率小、滲透性差等原因，主要用于實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用意義不大。相轉(zhuǎn)化法制備的新型中空纖維陶瓷膜(外徑一般小于2mm)除具有傳統(tǒng)陶瓷膜本身優(yōu)點(diǎn)以外，還具有單位體積裝填密度大(>1000m²/m³)、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低以及自支撐體成膜等特點(diǎn)。陶瓷中空纖維透氧膜由于強(qiáng)度低，操作與維護(hù)方法復(fù)雜，因此中空纖維透氧膜制氧裝置的設(shè)計(jì)及高溫封接技術(shù)成為限制其應(yīng)用的瓶頸。

譚小耀等人報(bào)道過(guò)一種用于空氣分離制氧的透氧膜管束組件(授權(quán)公告號(hào)CN201175650Y)。該組件將多根中空纖維透氧膜組成的膜束并列密封在膜束安置體上，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氧，經(jīng)估算，此器件在500根LSCF中空纖維膜同時(shí)工作時(shí)，其透氧能力可達(dá)5.71L/min。此設(shè)計(jì)器件能夠獲得較大的透氧通量，但安裝維護(hù)時(shí)靈活性有限，且密封方案存在高溫失效的可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、高效率、易于安裝拆卸的基于中空纖維陶瓷透氧膜的模塊化制氧裝置。

本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明基于中空纖維陶瓷透氧膜的模塊化制氧裝置，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于：所述模塊化制氧裝置是由若干個(gè)中空纖維膜束元件可拆卸的并聯(lián)安裝于高溫爐內(nèi)構(gòu)成；對(duì)應(yīng)于每一個(gè)中空纖維膜束元件，在所述高溫爐內(nèi)皆獨(dú)立設(shè)置有加熱單元，以使得各中空纖維膜束元件可以獨(dú)立工作。

所述中空纖維膜束元件包括外殼、上蓋、若干個(gè)一端密封另一端開(kāi)口的中空纖維陶瓷透氧膜膜管、膜束固定底座和膜束固定盤各部件；

所述上蓋、外殼及膜束固定底座從上至下依次配合，形成密閉結(jié)構(gòu)；在所述上蓋的中央開(kāi)設(shè)有空氣入口，在所述膜束固定底座的中央開(kāi)設(shè)有氧氣出口，在所述外殼的下側(cè)開(kāi)設(shè)有空氣出口并安裝有空氣出口接頭；

所述膜束固定底座的內(nèi)側(cè)底部為梯形臺(tái)面結(jié)構(gòu)；所述膜束固定盤平放于所述膜束固定底座中，底部與膜束固定底座的底部之間形成倒梯形空腔；

在所述膜束固定盤上開(kāi)設(shè)有若干通孔，在所述膜束固定盤上方貼合固定有陶瓷纖維紙，在所述陶瓷纖維紙上也開(kāi)設(shè)有與膜束固定盤上通孔一一對(duì)應(yīng)的通孔；

各中空纖維陶瓷透氧膜膜管以開(kāi)口端朝下逐一豎直插入到固定陶瓷纖維紙和膜束固定盤的通孔內(nèi)、并伸出至倒梯形空腔中；在陶瓷纖維紙上方，膜束固定底座與各中空纖維陶瓷透氧膜膜管之間依次通過(guò)有機(jī)密封膠與無(wú)機(jī)密封膠進(jìn)行雙層密封。

所述氧氣出口連接無(wú)油真空泵。

所述有機(jī)密封膠可耐溫200-400℃；所述無(wú)機(jī)密封膠是以氧化鋁粉和玻璃粉的混合粉體為成分的玻璃陶瓷密封材料，其中玻璃粉是商業(yè)BYB075無(wú)鉛玻璃。

在所述高溫爐上設(shè)置有膜束元件支撐架，所述中空纖維膜束元件的凸臺(tái)形上蓋懸掛在所述膜束元件支撐架上，從而使中空纖維膜束元件固定在所述高溫爐內(nèi)。

所述中空纖維膜束元件的空氣入口和空氣出口接頭皆位于高溫爐外。

所述外殼與所述上蓋的配合為螺紋配合，所述外殼與所述膜束固定底座的配合為螺紋配合。

所述空氣出口接頭與所述外殼之間為螺紋配合。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明的模塊化制氧裝置的各部件加工方便，組裝過(guò)程簡(jiǎn)單且易操作，適合大批量生產(chǎn)與應(yīng)用。

2、本發(fā)明的模塊化制氧裝置中的透氧元件結(jié)構(gòu)合理，中空纖維膜束裝填密度高。

3、本發(fā)明的膜束元件中的中空纖維陶瓷透氧膜膜管與膜束固定盤間使用有機(jī)密封膠和無(wú)機(jī)密封膠雙重密封，可得到良好的密封效果。

4、本發(fā)明制氧裝置的模塊化設(shè)計(jì)使各透氧元件獨(dú)立性高，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)相互干擾程度低，可通過(guò)簡(jiǎn)單方法進(jìn)行膜束元件工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，維護(hù)更換等操作方便，工作效率高。

5、本發(fā)明制氧裝置的適用范圍廣，可根據(jù)不同用氧情況組裝成制氧系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于中空纖維陶瓷透氧膜的模塊化制氧裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中空纖維膜束元件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中標(biāo)號(hào)：1為空氣入口；2為上蓋；3為外殼；4為中空纖維陶瓷透氧膜膜管；5為空氣出口接頭；6為無(wú)機(jī)密封膠；7為有機(jī)密封膠；8為陶瓷纖維紙；9為彈性墊圈；10為膜束固定盤；11為膜束固定底座；12氧氣出口；13為膜束元件支撐架；14為高溫爐；15為加熱電阻絲；16為中空纖維膜束元件。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)施例基于中空纖維陶瓷透氧膜的模塊化制氧裝置，是由若干個(gè)中空纖維膜束元件16可拆卸的并聯(lián)安裝于高溫爐14內(nèi)構(gòu)成；對(duì)應(yīng)于每一個(gè)中空纖維膜束元件16，在高溫爐內(nèi)皆獨(dú)立設(shè)置有加熱單元，以使得各中空纖維膜束元件可以獨(dú)立工作。具體設(shè)置時(shí)，加熱單元可采用加熱電阻絲15。

如圖2所示，中空纖維膜束元件16包括外殼3、上蓋2、若干個(gè)一端密封另一端開(kāi)口的中空纖維陶瓷透氧膜膜管4、膜束固定底座11和膜束固定盤10；

其中，上蓋2、外殼3及膜束固定底座11從上至下依次配合，形成密閉結(jié)構(gòu)；在上蓋2的中央開(kāi)設(shè)有空氣入口1，在膜束固定底座11的中央開(kāi)設(shè)有氧氣出口12，在外殼3的下側(cè)開(kāi)設(shè)有空氣出口并安裝有空氣出口接頭5；

膜束固定底座11的內(nèi)側(cè)底部為梯形臺(tái)面結(jié)構(gòu)；膜束固定盤10平放于膜束固定底座11中(卡在梯形臺(tái)面結(jié)構(gòu)上方)，底部與膜束固定底座11的底部之間形成倒梯形空腔；

在膜束固定盤10上開(kāi)設(shè)有若干通孔，在膜束固定盤上方貼合固定有陶瓷纖維紙8，在陶瓷纖維紙8上也開(kāi)設(shè)有與膜束固定盤10上通孔一一對(duì)應(yīng)的通孔；

各中空纖維陶瓷透氧膜膜管4以開(kāi)口端朝下逐一豎直插入到固定陶瓷纖維紙8和膜束固定盤10的通孔內(nèi)、并伸出至倒梯形空腔中；在陶瓷纖維紙8上方，膜束固定底座11與各中空纖維陶瓷透氧膜膜管4之間依次通過(guò)有機(jī)密封膠7與無(wú)機(jī)密封膠6進(jìn)行雙層密封。

氧氣出口12連接無(wú)油真空泵。

具體的，在高溫爐14上設(shè)置有膜束元件支撐架13，中空纖維膜束元件16的凸臺(tái)形上蓋2懸掛在膜束元件支撐架13上，從而使中空纖維膜束元件16固定在高溫爐14內(nèi)。中空纖維膜束元件16的空氣入口1和空氣出口接頭5皆位于高溫爐14外。

外殼3與上蓋2的配合為螺紋配合，外殼3與膜束固定底座11的配合為螺紋配合，且通過(guò)彈性墊圈密封?？諝獬隹诮宇^5與所述外殼3之間為螺紋配合。

上述基于中空纖維陶瓷透氧膜的模塊化制氧裝置的組裝、使用方式舉例如下：

將膜束固定盤10平放入膜束固定底座11中，然后在其表面鋪一層陶瓷纖維紙8，將陶瓷纖維紙8上的通孔與膜束固定盤10上的通孔對(duì)準(zhǔn)，以保證中空纖維陶瓷透氧膜膜管4能穿透、固定在膜束固定盤中。將中空纖維陶瓷透氧膜膜管4的開(kāi)口端向下逐個(gè)通過(guò)陶瓷纖維紙豎直插入膜束固定盤的陣列通孔中，加入有機(jī)密封劑7，有機(jī)密封劑需要有一定的流動(dòng)性，固化穩(wěn)定且能承受200-400℃的溫度，待有機(jī)密封劑固化后，在其上部加入無(wú)機(jī)密封劑6，無(wú)機(jī)密封劑需要具有一定的抗熱沖擊和隔熱能力。密封結(jié)束后將膜束固定底座的氧氣出口12外接無(wú)油真空泵，進(jìn)行氣密性檢測(cè)，若無(wú)氣體抽出，說(shuō)明氣密性完好，若有空氣抽出，再次加入無(wú)機(jī)密封劑，重復(fù)操作，直到完全密封為止。將彈性墊圈9套在膜束固定底座11外，然后旋入外殼3，外殼3和膜束固定底座為螺紋連接。將上蓋2旋入外殼3，外殼3和上蓋2同樣為螺紋連接，初步形成中空纖維膜束元件16。將中空纖維膜束元件16穿過(guò)膜束元件支撐架13放入高溫爐14中，上蓋2邊緣托在膜束元件支撐架上以固定。將空氣出口接頭5旋入外殼3側(cè)面螺紋通孔中，完成單一膜束元件的組裝。

按照上述過(guò)程將若干中空纖維膜束元件組裝固定在膜束元件支撐架13上，然后從空氣入口1通入空氣。各元件空氣出口接頭連接后續(xù)廢氣處理裝置，用以收集處理排出氣體。各氧氣出口12連接質(zhì)量流量計(jì)和通氣閥后匯總連接無(wú)油真空泵，用以產(chǎn)生低氧分壓環(huán)境和氧氣收集。

工作時(shí)，升溫達(dá)到工作溫度(700～900℃)，開(kāi)啟無(wú)油真空泵，即可在內(nèi)腔和膜內(nèi)產(chǎn)生低氧分壓環(huán)境，從而進(jìn)行制氧。通過(guò)接入氣體流量計(jì)確定抽出氣體流量。還可連接氣相色譜儀，用以抽檢抽出氣體氧氣含量，以便進(jìn)行氧氣質(zhì)量監(jiān)控。若元件在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，則可以通過(guò)氣體流量計(jì)檢測(cè)到流量變化，關(guān)閉通氣閥后，對(duì)損壞元件進(jìn)行更換。

經(jīng)試用，用一個(gè)以10根直徑為Φ2mm、長(zhǎng)度為40cm的Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(BSCF)中空纖維膜組成的透氧元件，在900℃時(shí)制氧速率在150cm³/min。按此計(jì)算，單個(gè)48根BSCF膜束元件的制氧能力可達(dá)到720cm³/min。若10個(gè)元件組成的組件，總制氧能力可達(dá)到7.2dm³/min，每小時(shí)可制氧0.43m³。此組件可以根據(jù)不同的用氧需求調(diào)節(jié)元件數(shù)量，組裝、維護(hù)和更換非常方便，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，具有很高的效率。