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：

現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)及其他領域都廣泛使用純氧，純氧的應用可以增加產(chǎn)量、減少排放、降低成本，對資源的高效利用和環(huán)境保護有著積極的作用。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)，但通常設備投資大、功耗高、效率低。近年來，陶瓷透氧膜制氧方面的研究取得了較大的發(fā)展，當材料兩側(cè)存在一定氧濃度梯度時，氧將以氧離子的形式通過晶格中動態(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，同時電子通過可變價金屬離子之間的跳躍反向傳導。由于具有高的氧離子和電子的混合導電能力，此類材料不需要外加電路就可以完成氧的傳輸過程，并且氧的傳輸是以晶格振動的形式進行的，理論上透氧膜對氧的選擇性為100％。因此，透氧膜在需連續(xù)供應純氧的工業(yè)過程(如甲烷部分氧化反應、氧化偶聯(lián)反應等)和需要氧分離的工業(yè)過程(如CO₂的分解反應等)中具有非常誘人的應用前景。

陶瓷透氧膜按其微觀結(jié)構(gòu)特點，可分為對稱膜和非對稱膜。對稱膜(如片狀或管狀結(jié)構(gòu))由于孔隙率小、滲透性差等原因，主要用于實驗室小規(guī)模應用，工業(yè)應用意義不大。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)點以外，還具有單位體積裝填密度大(>1000m²/m³)、制備工藝簡單、成本低以及自支撐體成膜等特點。陶瓷中空纖維透氧膜由于強度低，操作與維護方法復雜，因此中空纖維透氧膜制氧裝置的設計及高溫封接技術成為限制其應用的瓶頸。

譚小耀等人報道過一種用于空氣分離制氧的透氧膜管束組件(授權公告號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中空纖維膜同時工作時，其透氧能力可達5.71L/min。此設計器件能夠獲得較大的透氧通量，但安裝維護時靈活性有限，且密封方案存在高溫失效的可能。

技術實現(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)明解決技術問題，采用如下技術方案：

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)特點在于：所述模塊化制氧裝置是由若干個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；對應于每一個中空纖維膜束元件，在所述高溫爐內(nèi)皆獨立設置有加熱單元，以使得各中空纖維膜束元件可以獨立工作。

所述中空纖維膜束元件包括外殼、上蓋、若干個一端密封另一端開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設有空氣入口，在所述膜束固定底座的中央開設有氧氣出口，在所述外殼的下側(cè)開設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設有若干通孔，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設有與膜束固定盤上通孔一一對應的通孔；

各中空纖維陶瓷透氧膜膜管以開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有機密封膠與無機密封膠進行雙層密封。

所述氧氣出口連接無油真空泵。

所述有機密封膠可耐溫200-400℃；所述無機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無鉛玻璃。

在所述高溫爐上設置有膜束元件支撐架，所述中空纖維膜束元件的凸臺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，組裝過程簡單且易操作，適合大批量生產(chǎn)與應用。

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密封膠和無機密封膠雙重密封，可得到良好的密封效果。

4、本發(fā)明制氧裝置的模塊化設計使各透氧元件獨立性高，并聯(lián)運行時相互干擾程度低，可通過簡單方法進行膜束元件工作狀態(tài)監(jiān)測，維護更換等操作方便，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)，具有較高的應用前景。

附圖說明

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；

圖中標號：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為無機密封膠；7為有機密封膠；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。

具體實施方式

如圖1所示，本實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；對應于每一個中空纖維膜束元件16，在高溫爐內(nèi)皆獨立設置有加熱單元，以使得各中空纖維膜束元件可以獨立工作。具體設置時，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、若干個一端密封另一端開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的中央開設有空氣入口1，在膜束固定底座11的中央開設有氧氣出口12，在外殼3的下側(cè)開設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上開設有若干通孔，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上也開設有與膜束固定盤10上通孔一一對應的通孔；

各中空纖維陶瓷透氧膜膜管4以開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之間依次通過有機密封膠7與無機密封膠6進行雙層密封。

氧氣出口12連接無油真空泵。

具體的，在高溫爐14上設置有膜束元件支撐架13，中空纖維膜束元件16的凸臺形上蓋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，且通過彈性墊圈密封。空氣出口接頭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上的通孔對準，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的開口端向下逐個通過陶瓷纖維紙豎直插入膜束固定盤的陣列通孔中，加入有機密封劑7，有機密封劑需要有一定的流動性，固化穩(wěn)定且能承受200-400℃的溫度，待有機密封劑固化后，在其上部加入無機密封劑6，無機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外接無油真空泵，進行氣密性檢測，若無氣體抽出，說明氣密性完好，若有空氣抽出，再次加入無機密封劑，重復操作，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)量流量計和通氣閥后匯總連接無油真空泵，用以產(chǎn)生低氧分壓環(huán)境和氧氣收集。

工作時，升溫達到工作溫度(700～900℃)，開啟無油真空泵，即可在內(nèi)腔和膜內(nèi)產(chǎn)生低氧分壓環(huán)境，從而進行制氧。通過接入氣體流量計確定抽出氣體流量。還可連接氣相色譜儀，用以抽檢抽出氣體氧氣含量，以便進行氧氣質(zhì)量監(jiān)控。若元件在運行時出現(xiàn)問題，則可以通過氣體流量計檢測到流量變化，關閉通氣閥后，對損壞元件進行更換。

經(jīng)試用，用一個以10根直徑為Φ2mm、長度為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℃時制氧速率在150cm³/min。按此計算，單個48根BSCF膜束元件的制氧能力可達到720cm³/min。若10個元件組成的組件，總制氧能力可達到7.2dm³/min，每小時可制氧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、維護和更換非常方便，可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，具有很高的效率。