陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器的製作方法
2023-07-30 14:37:21
專利名稱：陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於以膜分離制氧法從空氣中製取氧氣的裝置範疇，具體涉及一種利用陶瓷膜能同時傳導氧離子和電子特性的陶瓷中空纖維膜反應器，進行空氣分離製取氧氣的裝置。
背景技術：
空分制氧在環保及工業生產中都有十分重要的意義，如在火力發電廠，用純氧取代空氣，在燃燒過程中將得到可回收利用的純二氧化碳而不是作為溫室氣體排放到大氣中。化工生產中常常需要用氧氣作氧化劑，如能直接用空氣作原料必將大大降低生產成本。
目前，空分制氧主要通過深冷精餾或變壓吸附等工藝來實現，成本高昂。有機膜雖然可用來分離空氣中的氧氣和氮氣，但不能製得純氧，況且有機膜的使用壽命短不利於降低生產成本。近年來，在無機陶瓷透氧膜方面的研究取得了很大的進展。這類陶瓷膜能同時傳導氧離子和電子，當膜的兩邊存在氧濃度梯度時，在600～1100℃的高溫條件下，氧分子在膜的一側表面解離成氧離子和電子，氧離子和電子在濃度差的推動力作用下共同透過該膜後，在膜的另一側表面重組形成氧氣釋放出來，因此，氧氣可以在沒有電極和外電路的情況下從高濃度一側透過膜到達低濃度的一側，從而形成穩定的氧氣流。由於這種無機膜陶瓷電解質材料只允許氧離子通過，因而具有100％氧選擇透過性能。與有機膜相比，無機膜具有長得多的使用壽命，且可經受更為苛刻的操作環境。
陶瓷膜的透氧速度取決於兩種因素1.氧離子和電子在膜內的傳遞速度；2.膜兩側表面的離子交換速度。通過減少膜厚度直到達到一個臨界值，可以提高膜的氧氣透過速度。當膜厚度減小到臨界值後，則主要是表面交換反應控制，這時，可以通過增加膜兩側表面的反應面積，以提高表面交換速度從而提高膜的氧氣透過速度。
現有技術中，目前實驗研究中大量採用的片式或板式陶瓷膜並不適合實際生產中應用，一方面，它在單位體積內提供的膜面積很小，因而氧透過面積和表面交換面積都有限，另一方面，片式或板式陶瓷膜厚度不能太薄，否則膜強度達不到生產要求，此外，高溫密封和陶瓷膜之間的連接也是很難解決的問題。管式陶瓷膜相對來說則較容易解決膜強度、高溫密封和連接的問題，但單位體積內提供的膜面積仍然有限，況且管式膜太厚因而不能提供足夠的氧氣透過量。
實用新型內容本實用新型的發明目的，是研製既具有足夠膜強度，又具有大得多的氧氣透過量的，一種陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器。
本實用新型是通過如下技術方案來實現其發明目的
研製一種陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器，其特徵是該反應器由陶瓷中空纖維膜管束，管束安置盤和封頭依次鑲嵌聯接構成；所述的陶瓷中空纖維膜製成管狀，並列的陶瓷中空纖維膜管組成管束；進氣端封閉，出氣端開口的陶瓷中空纖維膜管插接在定位模具中，定位模具插接在管束安置盤孔板中；管束安置盤插接在封頭承槽內；陶瓷中空纖維膜管與定位模具插接處，定位模具與管束安置盤孔板插接處，管束安置盤與封頭承槽插接處，均為鑲嵌密封配合。
上述的陶瓷中空纖維膜管的管壁設置為非對稱結構，其管壁由中間緻密層與內壁和外壁兩側多孔層構成；其管壁總厚度400±100μm；中間緻密層厚度100±50μm；內壁多孔層厚度200±25μm；外壁多孔層厚度100±25μm；上述的陶瓷中空纖維膜管，設置為內壁多孔層孔的長度大於外壁多孔層孔的長度；上述的陶瓷中空纖維膜管，設置為內壁多孔層孔的孔徑小於外壁多孔層孔的孔徑；上述的定位模具是法蘭管狀結構，短管端設置外螺紋；上述的管束安置盤，是短管與孔板聯接結構，短管端設置外螺紋，孔板設置變徑孔，變徑孔一端與定位模具外徑匹配；上述的封頭，是承插變徑管結構，插接端設置外螺紋，承槽端設置內螺紋；插接管與承槽交界處的管內腔，設置環狀凸臺；插接端設置為輸出端，承槽端設置為輸入端；其輸出端與無油負壓源聯接，其輸入端與陶瓷電解質中空纖維膜管管束安置盤聯接。
本實用新型的優點是1.結構合理，其管壁由中間緻密層與內壁和外壁兩側多孔層構成，這樣一種非對稱結構非常適合於透氧膜，既有足夠的膜強度，而膜管內壁和外壁兩側多孔層又大大提高膜表面交換反應的面積，即氧透面積；因此，與現有技術的陶瓷膜相比，結構合理可行，便於實施推廣。
2.所用材質易得，工藝簡捷，低投資、低成本、低能耗，技術實用性好。
3.適用範圍廣，既可用於小型的家庭及醫院供氧，也可放大後用於工業空分系統或火力發電廠的供氧系統等，具有廣闊的市場前景。
圖1是本實用新型整體結構、形態示意圖；圖2是本實用新型的部件——膜安置盤的結構、形態示意圖；圖3是本實用新型的主要部件——陶瓷中空纖維膜管安置在模具中的結構、形態示意圖。
具體實施方式
圖中，1封頭；2膜安置盤；3陶瓷中空纖維膜管；4密封墊；5陶瓷中空纖維膜管安置孔；6密封材料；7定位模具。
整個裝置均採用螺紋配合聯接結構，例如附圖所示，承槽處設置外螺紋，插接端設置內螺紋；陶瓷中空纖維膜管與定位模具插接處，定位模具與管束安置盤孔板插接處，管束安置盤與封頭承槽插接處，均為鑲嵌密封配合。
用相轉化——燒結法製備的具有非對稱結構的中空纖維陶瓷膜管3，經過定位模具7，用密封材料6(無機或有機高溫密封材料)固定在膜安置盤2的安置孔5中；膜安置盤2與封頭1鑲嵌聯接，聯接處設置一密封墊4以保證密封效果。
可根據實際需要安置膜管的數量多少並確定其大小，本實施例使用的中空纖維陶瓷膜管的長度是40cm。為了拆卸方便，每一根中空纖維膜管，事先密封在一定位膜具內，如圖3所示。
空分制氧時，將陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器放在電爐的下端，反應器的封頭連接到一無油真空泵。將壓縮空氣通入電爐管中，加熱到600～1100℃，開啟真空泵後，從真空泵抽出的氣體即為純氧氣。為避免密封點被高溫燒壞，只需將中空纖維膜管放入電爐管內，而整個膜安置盤和封頭都在電爐管外。
這種設計的優點在於1.陶瓷中空纖維膜管3與膜安置盤2間可通過一定位模具7連接，定位模具7與陶瓷中空纖維膜管3間的密封可用普通的無機密封材料或有機高溫密封材料6，密封點放置於電爐外或電爐的低溫區，因而有效解決了高溫密封的問題；應用該中空纖維陶瓷透氧膜管，設計了一種制氧中空纖維陶瓷膜管束反應器，在高溫及負壓條件下直接從空氣中分離出純氧。
2.由於陶瓷中空膜管3隻在一端固定，可保證中空膜管在高溫操作中自由伸縮而不致斷裂；3.由於每一根陶瓷中空膜管3都是通過一定位模具7單獨放置在膜安置盤2中，這樣，如果操作過程中有膜管3損壞，可以只單獨更換損壞的膜管，而不會導致所有膜管都必須更換的後果；4.膜管與膜管之間有足夠的空隙，不會引致操作過程中的濃差極化。
經試用，6根40cm的膜管組成的反應器，在980℃和膜管內側(真空側)壓力為5.33kPa時，最透大透氧速率量達到6×10-7mol/s，按實際透氧的有效膜管長度計算，其氧氣透量為48.27L(STP)/m2·h，即每平方米膜面積在1小時內能得到48.27升純氧量；效果滿意，達到預期的發明目的，具有實際應用和巨大的市場潛力。
權利要求1.一種陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器，其特徵是該反應器由陶瓷中空纖維膜管束，管束安置盤和封頭依次鑲嵌聯接構成；所述的陶瓷中空纖維膜製成管狀，並列的陶瓷中空纖維膜管組成管束；進氣端封閉，出氣端開口的陶瓷中空纖維膜管插接在定位模具中，定位模具插接在管束安置盤孔板中；管束安置盤插接在封頭承槽內；陶瓷中空纖維膜管與定位模具插接處，定位模具與管束安置盤孔板插接處，管束安置盤與封頭承槽插接處，均為鑲嵌密封配合。
2.按照權利要求1所述的陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器，其特徵是所述的陶瓷中空纖維膜管的管壁設置為非對稱結構，其管壁由中間緻密層與內壁和外壁兩側多孔層構成；其管壁總厚度400±100μm；中間緻密層厚度100±50μm；內壁多孔層厚度200±25μm；外壁多孔層厚度100±25μm。
3.按照權利要求1所述的陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器，其特徵是所述的陶瓷中空纖維膜管，設置為內壁多孔層孔的長度大於外壁多孔層孔的長度。
4.按照權利要求1所述的陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器，其特徵是所述的陶瓷中空纖維膜管，設置為內壁多孔層孔的孔徑小於外壁多孔層孔的孔徑。
5.按照權利要求1所述的陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器，其特徵是所述的定位模具是法蘭管狀結構，短管端設置外螺紋。
6.按照權利要求1所述的陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器，其特徵是所述的管束安置盤是短管與孔板聯接結構，短管端設置外螺紋，孔板設置變徑孔，變徑孔一端與定位模具外徑匹配。
7.按照權利要求1所述的陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器，其特徵是所述的封頭是承插變徑管結構，插接端設置外螺紋，承槽端設置內螺紋；插接管與承槽交界處的管內腔，設置環狀凸臺；插接端設置為輸出端，承槽端設置為輸入端；其輸出端與無油負壓源聯接，其輸入端與陶瓷電解質中空纖維膜管管束安置盤聯接。
專利摘要一種陶瓷電解質中空纖維膜管束反應器，屬於空分制氧裝置範疇。其特徵是該反應器由陶瓷中空纖維膜管束，管束安置盤和封頭依次鑲嵌聯接構成；其陶瓷中空纖維膜製成管狀，並列組成管束；進氣端封閉，出氣端開口的管束，經定位模具插接在管束安置盤孔板中；管束安置盤插接在封頭承槽內；管與定位模具插接處，定位模具與管束安置盤孔板插接處，管束安置盤與封頭承槽插接處，均為鑲嵌密封配合。其優點是結構合理，其管壁由中間緻密層與內壁和外壁兩側多孔層構成，這樣一種非對稱結構非常適合於透氧膜，既有足夠的膜強度，又大大提高膜表面交換反應的面積，即氧透面積；與現有技術的陶瓷膜相比，結構合理可行，便於實施推廣，具有廣闊的市場前景。
文檔編號B01D71/02GK2764471SQ200520080168
公開日2006年3月15日 申請日期2005年1月14日 優先權日2005年1月14日
發明者譚小耀, 孟波, 楊乃濤 申請人:山東理工大學