專利名稱：一種純化氣體或制取氧氣的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬氣體分離領(lǐng)域。
目前，氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x設(shè)備主要有變壓吸附式和深冷式兩種，深冷式分離設(shè)備復(fù)雜，設(shè)備造價昂貴，盡管大型設(shè)備電耗較低，產(chǎn)品純度也可達(dá)到99.9995％。但小型設(shè)備產(chǎn)品純度低，設(shè)備噪音大，電耗較高。變壓吸附式設(shè)備可小型化，但其產(chǎn)品純度，氧氣最高能達(dá)到93％左右，氮?dú)饧兌纫话銉H能達(dá)到99.5％，為獲得純度較高的氮?dú)猱a(chǎn)品，需采用氫氣在催化劑作用下將氧氣除掉，流程復(fù)雜。
許多材料，在氣體總壓保持恒定或變化較小、溫度較低時其能夠吸附氧氣，當(dāng)溫度升高到一定溫度時，這種材料可以將吸附的氧氣全部解吸，如申請?zhí)枮?6106787.X的專利申請文件提供的一種新材料----釔鋇銅氧(YBCO)超導(dǎo)材料就有這種特性。當(dāng)溫度在300℃時，該材料能吸附氧氣，且能使含氧混合氣中氧含量降低到1ppm以下，在900℃時可將吸附的氧氣幾乎全部解吸。應(yīng)用這種材料的吸附量隨溫度變化而變化的特性(簡稱變溫吸附特性)，將材料加工成變溫吸附分子篩，采用一定的設(shè)備形式，通過改變溫度，可以從氣體中分離氧氣得到氧氣或純化氣體。若用于氧氣、氮?dú)夥蛛x，與深冷式設(shè)備相比，設(shè)備消耗壓縮功小，設(shè)備可小型化，可用小型設(shè)備現(xiàn)場供氣，減少氣瓶運(yùn)輸?shù)炔槐?。采用那些對氧變溫吸附性?qiáng)的分子篩可以將氣體中的氧降到PPm以下，因此與變壓吸附式設(shè)備相比，可不用氫氣還原除氧，得到高純氮?dú)狻Ｍ瑯涌梢圆挥脷錃獬?，得到高純氬氣?br> 本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠利用變溫吸附分子篩，從氣體中分離氧氣、純化氣體或制取氧氣的裝置。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的一種純化氣體或制取氧氣的裝置，主要由兩個間壁式換熱器、兩個吸附器、電加熱器、進(jìn)氣閥門、排氣閥門以及保溫外罩組成，間壁式換熱器、吸附器、電加熱器均包裹在保溫外罩內(nèi)，其間由管道相連，連接順序?yàn)檫M(jìn)氣閥門、排氣閥門-間壁式換熱器-吸附器-電加熱器-吸附器-間壁式換熱器-進(jìn)氣閥門、排氣閥門。
其中吸附器由外殼、內(nèi)殼、吸附料柱、進(jìn)氣管、排氣管構(gòu)成，吸附器外殼一端與電加熱器連接，另一端與載熱(冷)氣接管連接，外殼與內(nèi)殼之間形成加熱氣體通道，以便載熱(冷)氣體流動；內(nèi)殼內(nèi)裝載吸附料柱；吸附器下端內(nèi)殼中的導(dǎo)氣管與換熱器相連。
電加熱器由外殼、發(fā)熱元件、熱電偶、元件插孔組成，在外殼的一側(cè)有多排元件插孔，以插入發(fā)熱元件，用于將氣體加熱，在同一側(cè)的中心插孔插入熱電偶；發(fā)熱元件和熱電偶用導(dǎo)線引出保溫罩外殼，供接電源及溫度控制設(shè)備用；電加熱器的兩端通過導(dǎo)管與吸附器相連。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、由于本實(shí)用新型利用了變溫吸附分子篩對氧吸附性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，與變壓吸附式設(shè)備相比，制取的氧氣和氮?dú)獾募兌鹊玫捷^大提高，尤其是可以不用氫氣除氧，直接得到高純氮?dú)?，簡化了生產(chǎn)流程，分離氧氮混合氣體，氧氣純度可以達(dá)到99.9％以上，氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)到99.9999％以上。2、設(shè)備消耗壓縮功小，可以小型化，可實(shí)現(xiàn)小型設(shè)備現(xiàn)場供氣，減少氣瓶運(yùn)輸不便和安全等問題。3、本實(shí)用新型利用了回?zé)嵩?，熱效率高，運(yùn)行電耗小，降低了生產(chǎn)成本。
附


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是本實(shí)用新型的電加熱器結(jié)構(gòu)示意圖。
下邊結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
在附
圖1中，1和3為間壁式換熱器，2和4為吸附器，5為保溫外罩，6為電加熱器，7為導(dǎo)線出口，8為吸附器外殼，9為載熱氣導(dǎo)管，10為翅片，11為吸附料柱，12和15為導(dǎo)氣管，13為吸附器內(nèi)殼，16和20為進(jìn)氣閥，17和21為排氣閥，18和19為載熱氣接管，22為設(shè)備外殼。
整個裝置有兩套間壁式換熱器1、3和吸附器2、4，其間用電加熱器6和載熱氣導(dǎo)管9連接起來。間壁式換熱器1和3、吸附器2和4以及電加熱器均包裹在保溫外罩5內(nèi)，以減少熱能的散失。由于這兩套換熱器和吸附器的結(jié)構(gòu)及功能完全相同，因此我們僅對其中一套的結(jié)構(gòu)作詳盡說明。
間壁式換熱器的功能是完成進(jìn)氣與出氣的熱交換，降低出氣的溫度，減少熱損失，同時提高進(jìn)入吸附料柱的氣體溫度。其主結(jié)構(gòu)體最好為螺旋板式換熱器，也可以是列管式換熱器。其具體結(jié)構(gòu)為間壁式換熱器3下端的進(jìn)氣管上裝置有一個進(jìn)氣閥門16，以便將含氧混合氣體有控制(切斷或?qū)?地引入換熱器3；其排氣管上裝置有一個有接排氣閥門17，以便有控制(切斷或?qū)?地將產(chǎn)品氣體(純氧、純氮或純氬等)引出間壁式換熱器3；間壁式換熱器3的上端出口與吸附器4的導(dǎo)氣管12和15連接；各氣管，閥門及換熱器、吸附器等的相互連接可為發(fā)蘭連接，羅紋連接，焊接或其他連接方式，最好為焊接；換熱器的連接最好使氣體在其中進(jìn)行逆流換熱式。進(jìn)、排氣管、閥門及換熱器、吸附器等均由金屬材料(如不銹鋼)制成。
吸附器的功能是盛裝分子篩，同時提供與氣體進(jìn)行熱交換的場所。其具體結(jié)構(gòu)為吸附器4由外殼8、內(nèi)殼13、吸附料柱11、導(dǎo)氣管12和15等構(gòu)成。吸附器外殼8的上端與通過載熱氣導(dǎo)管9與電加熱器6連接，下端與載熱(冷)器接管18連接；外殼8與內(nèi)殼13之間形成加熱氣體通道14，以便載熱(冷)氣體流動；吸附器內(nèi)殼13內(nèi)的空腔斷面可為圓形或多邊形，空腔用于盛裝分子篩；吸附料柱11由分子篩堆積而成；吸附器下端內(nèi)殼中的導(dǎo)氣管12和15與間壁式換熱器3相連，以便將氣體導(dǎo)引到吸附柱11的另一端或?qū)怏w導(dǎo)進(jìn)間壁式換熱器3。為提高傳熱效率，吸附器內(nèi)殼13外壁上最好帶有翅片10，翅片上有許多孔便于氣體通過。吸附器外殼8，內(nèi)殼13，翅片10，導(dǎo)氣管12和15等均由金屬材料焊接而成。
保溫罩5由保溫層及裝置外殼22組成，裝置外殼22最好用金屬材料制成，其功能是形成空腔，以便使間壁式換熱器1和3、吸附器2和4以及電加熱器6等部件固定在其中；保溫層由絕熱材料構(gòu)成。在裝置外殼22上有一個導(dǎo)線出口7，用以引出電加熱器的導(dǎo)線。
在附圖2中，23為電加熱器外殼，24為發(fā)熱元件，25為熱電偶，26為元件插孔。電加熱器6的功能是將氣體加熱，其外殼23形成氣體封閉通道，內(nèi)裝發(fā)熱元件，將流過的氣體加熱；加熱器外殼23可以用金屬材料制成，其一側(cè)有多排元件插孔26，用以插入發(fā)熱元件24，在同一側(cè)中心孔插入熱電偶25；發(fā)熱元件24和熱電偶25用導(dǎo)線引出保溫罩外殼，供接電源及溫度控制設(shè)備用。電加熱器6的兩端通過載熱氣導(dǎo)管分別與吸附器2、4相連。
本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)從含氧氣體中純化氣體(如氮?dú)饣驓鍤?或制取氧氣的工作過程如下裝置從冷態(tài)啟動時，假定外接循環(huán)泵使氣體沿載熱氣接管19向A方向流動，氣體先穿過吸附器2，再經(jīng)電加熱器6后被加熱，然后穿過吸附器4的加熱氣體通道14，將吸附器4內(nèi)吸附料柱11(由變溫吸附分子篩構(gòu)成)加熱，最后使吸附器4處于高溫乏氧狀態(tài)，而此時吸附器2處于低溫飽氧狀態(tài)，關(guān)閉進(jìn)氣閥門16和20，開排氣閥門17和21，抽凈吸附器2和4內(nèi)殘氣后關(guān)閉，使裝置進(jìn)入正常工況。
然后，循環(huán)泵逆轉(zhuǎn)使氣體沿反A方向流動，循環(huán)氣體通過吸附器2時被冷卻，加熱吸附器2，使其處于放氧工況。此時，進(jìn)氣閥門20處于關(guān)位，打開排氣閥門21，解吸氣經(jīng)過換熱器1排出，若將排出的氣體收集起來即可以得到高純氧氣。在此過程中吸附器4被循環(huán)氣降溫，當(dāng)吸附器4內(nèi)吸附料柱的溫度降到一定時，吸附料柱變?yōu)榉ρ鯛顟B(tài)(吸氧工況)；打開進(jìn)氣閥門16，含氧氣體(如含氧氮?dú)?經(jīng)換熱器3進(jìn)入吸附器4，氧被吸附后的氣體，再經(jīng)換熱器3，從排氣閥17排出；此時將排出的氣體收集起來，即可得到除氧后的純化氣體(如高純氮?dú)?。
再改變氣體流向，使吸附器2和4的工況互換，就可以在排氣閥17處收集到純氧，在排氣閥21處收集到除氧后的純化氣體(如高純氮?dú)?。如此循環(huán)往復(fù)，可以連續(xù)不斷的將氣體中的氧分離出來，得到高純氧氣或其它高純氣體(如氮?dú)?、氬氣?。
在兩個吸附器工況變化過程中，用氣體作為熱載體，可實(shí)現(xiàn)密閉循環(huán)，熱量循環(huán)利用，熱效率高。同樣可以用液體作為熱載體。顯然，進(jìn)裝置的氣體和出裝置的氣體在間壁式換熱器中，進(jìn)行熱交換，減少了氣體帶出的熱量。
實(shí)施例吸附器內(nèi)殼高600mm，外徑76mm，壁厚4mm，外殼長600mm，外徑159mm，壁厚為3mm。吸附器整體用不銹鋼焊成，用12kg釔鋇銅氧超導(dǎo)材料制成的分子篩裝入內(nèi)殼空腔，形成吸附料柱。
換熱器采用2.5mm厚不銹鋼板制成高為80mm，直徑為250mm，旋板間距為8mm的螺旋板式換熱器。電加熱器功率4kw。
載熱氣體循環(huán)采用正反轉(zhuǎn)排氣量相同的葉片泵(流量為3.5m3/hr)輸送氣體，通過電機(jī)轉(zhuǎn)向控制載熱氣體循環(huán)流動方向。裝置保溫罩外殼用普碳鋼板焊接成，內(nèi)填硅酸鋁耐火棉保溫材料。
用空氣經(jīng)過予凈化后的氧氮混合氣(氧含量21％)作原料氣，原料進(jìn)氣閥門及排氣閥門手動控制，引氣裝置采用真空泵。按照上述循環(huán)工作過程，每小時可得到2m3純度為99.9999％以上的氮?dú)?，同時得到0.5m3純度為99.9％的氧氣。
權(quán)利要求1.一種純化氣體或制取氧氣的裝置，其特征在于本裝置主要由兩個間壁式換熱器、兩個吸附器、電加熱器、進(jìn)氣閥門、排氣閥門以及保溫外罩組成，間壁式換熱器、吸附器、電加熱器均包裹在保溫外罩內(nèi)，其間由管道相連，連接順序?yàn)檫M(jìn)氣閥門、排氣閥門-間壁式換熱器-吸附器-電加熱器-吸附器-間壁式換熱器-進(jìn)氣閥門、排氣閥門。
2.依照權(quán)利要求1所說的一種純化氣體或制取氧氣的裝置，其特征在于吸附器由外殼、內(nèi)殼、吸附料柱、進(jìn)氣管、排氣管構(gòu)成，吸附器外殼一端與電加熱器連接，另一端與載熱(冷)氣接管連接，外殼與內(nèi)殼之間形成加熱氣體通道，以便載熱(冷)氣體流動；內(nèi)殼內(nèi)裝載吸附料柱；吸附器下端內(nèi)殼中的導(dǎo)氣管與換熱器相連。
3.依照權(quán)利要求1所說的一種純化氣體或制取氧氣的裝置，其特征在于電加熱器由外殼、發(fā)熱元件、熱電偶、元件插孔組成，在外殼的一側(cè)有多排元件插孔，以插入發(fā)熱元件，用于將氣體加熱，在同一側(cè)的中心插孔插入熱電偶；發(fā)熱元件和熱電偶用導(dǎo)線引出保溫罩外殼，供接電源及溫度控制設(shè)備用；電加熱器的兩端通過導(dǎo)管與吸附器相連。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種純化氣體或制取氧氣的裝置,主要由間壁式換熱器、吸附器、電加熱器、進(jìn)氣閥門、排氣閥門、保溫外罩等件組成。該裝置可以有效地利用對氧氣有變溫吸附特性的分子篩,使氧氣與氮?dú)饣驓鍤獾确蛛x,制取的氮?dú)饧兌瓤梢赃_(dá)到99.9999%以上,氧氣純度可以達(dá)到99.9%以上。該裝置不僅操作簡便,可以小型化,便于現(xiàn)場供氣,而且運(yùn)行熱效率高,電耗小,不需氫氣除氧,大大降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號B01D53/04GK2424818SQ9925701
公開日2001年3月28日 申請日期1999年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月6日
發(fā)明者王振峰, 高之爽, 孟令啟, 胡行, 郭益群, 楊德林 申請人:鄭州大學(xué)