用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件的製作方法
2023-06-15 03:20:46 1
專利名稱：用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於用陶瓷膜分離空氣中氧氣的裝置範疇，具體涉及一種用於空氣分離制 氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件。
背景技術：
高濃度氧(>95%)在工業生產及環境保護方面都廣泛的應用，如煉鋼、玻璃、制鋁業以及 發電廠(IGCC)或垃圾燃燒處理等，用氧代替空氣燃燒，可降低燃料消耗60%。用於工業生 產可以提高產量、減少排放、降低成本。然而，目前，空分制氧主要通過深冷精餾或變壓吸 附(PSA或VSA)等工藝來實現，工藝複雜，成本，從而限制了它的廣泛應用。而膜法空分 制氧由於不涉及到物質相變，可大大降低能量消耗，但現有的有機膜的透氧速率低，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，在陶瓷透氧膜方面的研 究取得了很大的進展，這種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。C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。與其它制氧技術相比，陶瓷膜的制氧速率快(為有機膜的103~104倍，為深冷 精餾或PSA的200倍)，可得到100%的純氧，制氧成本低(比傳統深冷精餾或PSA方法低 30~50%);機械強度高、耐腐蝕性好的優點，可在苛刻的環境下操作；工藝及操作簡單，尤 其適合於小規模用氧環境，具有十分廣闊的市場前景。
早期的透氧陶瓷膜大多是片式或板式結構，它一方面可提供的透氧膜面積很小，另一方 面由於膜厚度大，致使透氧速率小，同時高溫密封和陶瓷膜之間的連接問題也很難解決，因 此不適合實際生產應用。
管式陶瓷膜相雖然較容易解決膜強度、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，並因管式陶瓷膜系統體積大、氧產量小，也難以滿足工業化生產的要求。
近幾年來，人們開發了陶瓷中空纖維膜製備技術，這種透氧陶瓷中空纖維膜具有膜厚度 低、透氧率高、膜面積/體積比大等優點，這為陶瓷膜空分制氧技術的推廣應用提供了條件。 然而，陶瓷中空纖維膜的脆性大，強度低，加上需要嚴格的高溫密封，因此組裝成膜組件和 空分制氧系統比較困難，這限制了陶瓷透氧膜的大規模工業化應用。
實用新型內容
本實用新型的發明目的，是研究一種用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜組件，提 供高效率、低成本，技術實用性好的陶瓷中空纖維透氧膜管束用於空氣分離制氧的技術。
本實用新型的技術方案是研製一種用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜組件，其 特徵是所述的組件由中空纖維膜束安置體4，隔熱板8保護罩22依次聯接構成；其中
a. 膜束安置體4的上蓋設置多個承接口 13，膜束安置體4的腔內設置熱交換器3，膜束 安置體4的出口管7連接無油負壓源；
b. 耐火材質的隔熱板8設置在承接口 13的上面，設置與承接口 13數目相同的貫穿孔和
承接口 13貫通；
C.多根陶瓷中空纖維透氧膜組成陶瓷中空纖維透氧膜束1，膜束1的開口一端穿過膜束 接頭2，並列密封定位在膜束接頭2體內，膜束1的開口端12伸出膜束接頭2體外與膜束安 置體4腔內相通，膜束接頭2逐一安置在承接口 13內，膜束接頭2的外緣與承接口 13內緣 間隙配合；
d. 耐高溫材質的保護罩(22)設置在隔熱板8的上面，罩住陶瓷中空纖維膜束1的閉合 端12，保護罩安置在膜束安置體的上蓋；
e. 熱交換器3設置在管束安置體4腔內，空氣入口 5穿過膜束安置體4底部連接大氣， 空氣出口 6穿過膜束安置體4的上蓋和隔熱板8進入高溫爐膛21內。
上述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜組件，其特徵是所述組成陶瓷中空纖維 透氧膜束1的陶瓷中空纖維透氧膜，設置為一端封閉另一端開口的結構。
上述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜束組件，其特徵是所述陶瓷中空纖維透 氧膜，其管壁是不對稱複合結構，外層是分離層，內層是支撐層，分離層厚度為1 100 pm， 支撐層厚度為50 1000 pm。
上述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜組件，其特徵是所述膜束接頭2的外緣 與承接口 13內緣間隙配合是螺紋配合。
上述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件，其特徵是所述膜束接頭2的 外緣與承接口 13內緣間隙配合是承插配合。
上述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件，其特徵是所述膜束接頭2的 外緣與承接口 13內緣間設置彈性墊圈。
本實用新型的優點是
1. 膜束組件結構合理，膜束的裝填密度高，組件內濃差極化小；
2. 易於密封，中空纖維膜束接頭可以用耐200 50(TC的高溫有機或無機密封劑即可實現 密封；
3. 所用材質易得，製備簡便；拆卸和操作維護方便，成本低，技術實用性好。
4. 便於實現進料空氣和產品氧氣間的熱交換，可降低能耗。
5. 適用範圍廣，可根據需要用於不同氧產量的空分制氧系統，具有廣闊的市場前景。
圖1是本實用新型的陶瓷中空纖維透氧膜組件整體結構示意圖； 圖2是本實用新型的陶瓷中空纖維透氧膜束與接頭配合狀態示意圖； 圖3是本實用新型的陶瓷中空纖維透氧膜束與接頭密封狀態示意圖； 圖4是陶瓷中空纖維透氧膜的管壁結構示意圖； 圖5是安置體的承接口結構示意圖；(橫剖面)
圖6是安置體的承接口裝配陶瓷中空纖維透氧膜束後狀態示意圖。
具體實施方式
圖1中顯示，1中空纖維陶瓷透氧膜束；2膜束接頭；3熱交換器；4膜束安置體；5空 氣入口； 6空氣出口； 7膜束安置體出口管(氧氣出口)； 8隔熱板；19膜束安置體上蓋；20 膜束安置體底部；21高溫爐膛；22保護罩；23尾氣出口。
圖2中顯示，IO密封填料；11中空纖維陶瓷透氧膜開口端；12中空纖維陶瓷透氧膜封 閉端；13承接口； 19膜束安置體的上蓋；其餘標號同前。
圖3中顯示放大的陶瓷中空纖維透氧膜束與接頭密封狀態，標號同前。
圖4中顯示陶瓷中空纖維透氧膜的管壁結構，14管腔；15內壁多孔支撐層；16中間過 渡層；17外壁緻密層(有效分離層)。
圖5中顯示膜束安置體上蓋的橫剖面示意圖，18承接口13的貫穿孔；其餘標號同前。
圖6中顯示膜束安置體上蓋的俯視示意圖，標號同前。
應用舉例-
將製備的多根緻密中空纖維陶瓷透氧膜束1，用有機高溫密封劑10密封在中空纖維陶瓷 透氧膜束接頭2中，所用的密封劑有機高溫密封劑常溫下有一定流動性，且可承受300~500 'C的溫度；再將膜束接頭2固定連接在中空膜束安置體4上蓋19的中空膜束接頭承接口 13 中，膜束接頭2的外緣與承接口 13內緣間隙是螺紋配合時，採用不鏽鋼螺紋連接和密封；若 膜束接頭2的外緣與承接口 13內緣間隙是承插配合時，則可採用標準玻璃磨口連接和密封。
在中空膜束安置體4內部安置一熱交換器3 (圖中顯示為盤管，也可採用列管或其他合 適的形式)，空氣從膜束安置體4底部20的入口 5進入熱交換器換熱管3內，與膜束安置體 4腔內高溫氧氣進行換熱後，從膜束安置體4的上蓋19的空氣出口6進入高溫爐膛21內； 為避免中空纖維膜束與膜束接頭2間的裝填密封劑處的溫度過高，在安置體上蓋19的承接口 13與電爐入口之間安置一隔熱板8，此隔熱板要求具有較好隔熱性能，如用耐火磚製成，同 時，在隔熱板8上面和中空膜束之間也可填塞石棉等隔熱材料。在中空膜束安置體4的下段 側面設置有出口管7 (氧氣出口)，通過管道與無油負壓源如無油真空泵相連，經過熱交換後 的氧氣經過無油負壓源後即可收集和應用。
中空膜束承接口 13與中空纖維膜膜束接頭2相匹配，可以方便連接和密封。中空膜束承 接口 13對稱分布在中空膜束安置體上蓋19上，各承接口 13之間的距離要求儘可能小，但必 須便於中空膜束接頭的拆卸和安裝， 一般為3 10mm。
空分制氧時，將中空纖維陶瓷透氧膜組件置於高溫電爐的下端，膜組件連接到一無油真 空泵，加熱到800~1100°C，開啟真空泵使中空膜束安置體內的壓力小於0.2大氣壓，這樣從 真空泵抽出的氣體即為純氧氣。氧氣產量的大小除了主要取決於中空纖維膜管的多少外，還 可通過調節中空膜束安置體4內的真空度和電爐的溫度來控制。
經試用，用一含有4 20根直徑為cD2 mm，長度為40 cm的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-a (簡 稱LSCF)中空纖維膜束接頭和一金屬中空膜束安置體組成中空纖維膜組件，在1050'C和真 空度為98kPa的條件下，制氧速率為80 cm"min，按實際透氧膜管面積計算，其氧氣透量為 3.64 mL/Cm2.min，按此計算，含500根LSCF中空纖維膜管的膜組件，其制氧能力可達5.71 L/min，或每小時氧氣產量為0.34 m3。該膜束組件採用矽橡膠密封劑，達到了很好的密封效 果；根據需要可以很方便有效地調節中空膜束裝填密度，安裝、拆卸和更換維護膜管相當方 便。
權利要求1.一種用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件，其特徵是所述的組件由中空纖維膜束安置體(4)，隔熱板(8)保護罩(22)依次聯接構成；其中a.膜束安置體(4)的上蓋設置多個承接口(13)，膜束安置體(4)的腔內設置熱交換器(3)，膜束安置體(4)的出口管(7)連接無油負壓源；b.耐火材質的隔熱板(8)設置在承接口(13)的上面，設置與承接口(13)數目相同的貫穿孔和承接口(13)貫通；c.多根陶瓷中空纖維透氧膜組成陶瓷中空纖維透氧膜束(1)，膜束(1)的開口一端穿過膜束接頭(2)，並列密封定位在膜束接頭(2)體內，膜束(1)的開口端(12)伸出膜束接頭(2)體外與膜束安置體(4)腔內相通，膜束接頭(2)逐一安置在承接口(13)內，膜束接頭(2)的外緣與承接口(13)內緣間隙配合；d.耐高溫材質的保護罩(22)設置在隔熱板(8)的上面，罩住陶瓷中空纖維膜束(1)的閉合端(12)，保護罩安置在膜束安置體的上蓋；e.熱交換器(3)設置在管束安置體(4)腔內，空氣入口(5)穿過膜束安置體(4)底部連接大氣，空氣出口(6)穿過膜束安置體(4)的上蓋和隔熱板(8)進入高溫爐膛(21)內。
2. 按照權利要求1所述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件，其特徵是 所述組成陶瓷中空纖維透氧膜束(l)的陶瓷中空纖維透氧膜，設置為一端封閉另一端開口的結 構。
3. 按照權利要求2所述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件，其特徵是 所述陶瓷中空纖維透氧膜，其管壁是不對稱複合結構，外層是分離層內層是支撐層，分離層 厚度為1 100 ^m，支撐層厚度為50 1000 ^m。
4. 按照權利要求1所述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件，其特徵是 所述膜束接頭(2)的外緣與承接口 (13)內緣間隙配合是螺紋配合。
5. 按照權利要求1所述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件，其特徵是 所述膜束接頭(2)的外緣與承接口似內緣間隙配合是承插配合。
6. 按照權利要求1所述的用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件，其特徵是 所述膜束接頭(2)的外緣與承接口(13)內緣間設置彈性墊圈。
專利摘要本實用新型是一種用於空氣分離制氧的陶瓷中空纖維透氧膜管束組件。由中空纖維膜束，安置體，隔熱板，保護罩依次聯接構成；其膜束安置體上蓋設多個承接口，腔內設熱交換器，出口管連接無油負壓源；隔熱板設在承接口上，設貫穿孔和承接口貫通；多根陶瓷中空纖維透氧膜組成陶瓷中空纖維透氧膜束，開口並列密封定位在膜束接頭體內，逐一安置在承接口內並與膜束安置體腔內相通，膜束接頭外緣與承接口內緣間隙配合；保護罩設在膜束安置體上蓋的隔熱板上，罩住陶瓷中空纖維膜束閉合端；空氣入口穿過膜束安置體底部連接大氣，空氣出口穿過膜束安置體上蓋進入高溫爐膛。結構合理，材質易得，製備簡便，易密封；操作拆卸和維護方便，成本低，實用性好。
文檔編號B01D63/02GK201175650SQ20072002984
公開日2009年1月7日 申請日期2007年10月24日 優先權日2007年10月24日
發明者波 孟, 孟秀霞, 龐兆寶, 楊乃濤, 譚小耀 申請人:山東理工大學