專利名稱：氧與粗氮的制取方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及氧與粗氮的制取方法與裝置，特別是在常溫條件下，以物理方法將空氣直接分離成氧與粗氮產品的方法與裝置。
空氣作為制取氧與氮的原料，隨處皆有，但是大多數用戶不能在需用氧、氮之處，就地分離空氣制取氧、氮產品。原因是目前廣泛使用的深冷空分裝置價格昂貴，運行工藝復雜，操作難度大。除了較大的企業自建深冷空分裝置外，小企業與零星用戶便只好使用高壓鋼瓶運輸，儲存氧與氮氣。不但成本高，而且極不方便。
深冷空分技術，是先將空氣深冷液化，再利用其組分的沸點差別，經精餾而分離為氧、氮的。此方法與裝置能夠分離出高純度的氧、氮產品，但因需要將空氣深冷至77K低溫，所以整個工藝流程使用設備多，噸位大，以致基建投資很高。
因為深冷空分成套裝置須固定安裝而后運行。所產氧、氮氣除近距離以管道輸送外，遠處用戶需充裝于高壓鋼瓶中運輸與儲存，以致運輸效率低、費用高，且有爆炸危險。偏遠地區尤為不便。
深冷空分工藝中有大量的冷量損失，能耗大，增加了產品成本。
深冷空分工藝中存在液氧與乙炔發生爆炸的危險。生產工藝精細復雜、運行操作難度大，需專業人員操作管理。由于上述原因，在人類的生活與生產領域中，絕大多數宜用純氧助燃的過程，是用空氣助燃的。這一狀況，使得所獲熱效率很低，能源遭到了極大的浪費。在醫療保健事業中，尤其是邊遠地區，氧的來源也是困難的。農產品的除蟲、保鮮儲存，也因廣大農業地區缺少氮源而難以施行。
本發明的目的是提供一種氧與粗氮(除氧之外的空氣組分。以下同此)的制取方法，一種可以在常溫條件下，直接將空氣分離為氧與粗氮產品的方法。
提供一種氧與粗氮的制取裝置，一種可以在常溫條件下、直接將空氣分離為氧與粗氮產品的裝置。
本發明所提供的制取氧與粗氮產品的方法與裝置還有如下目的作業過程耗能少，產品成本低;
工藝流程中沒有氧與乙炔發生爆炸的危險;
工藝流程簡單，裝置容易操作管理;
所提供的裝置是微型的至工業規模產量的;
裝置是可移動的，以至是可攜帶的;
所提供的方法與裝置，隨著氧溫度的降低，而分離效率提高。
所提供的方法與裝置可以在需用氧或/和粗氮之處，隨時隨地直接將空氣分離為氧與粗氮產品，即制即用、停機即無，無需高壓鋼瓶運輸與儲存，安全無險。
按照本發明的目的，提供了一種制取氧與粗氮產品的方法，其特征是使空氣進入非均勻或梯度空間磁場，空氣中的氧便受到梯度磁場一個指向磁場強度增大方向的作用力，被吸引到梯度磁場中磁場強度最高的區域，使用溫度差或/和壓力差的方法，將氧從磁場中經一通道輸出，加以收集，得氧產品;空氣中的粗氮受到梯度磁場指向磁場強度減小方向的作用力，被排斥向磁場之外，從而與氧分離，加以收集，得粗氮產品。
按照本發明的目的，提供了一種制取氧與粗氮產品的裝置，其特征是，裝置具有一個或一個以上與空氣源連通的非均勻或梯度空間磁場，該磁場由一個或一個以上的永磁體，或常規電磁體，或者是超導電磁全所產生。
裝置還有引導空氣進入梯度磁場的裝置，使空氣在梯度磁場內按照確定的軌跡流動的裝置，用于從梯度磁場中輸出氧產品的裝置以及用于輸出被梯度磁場所排斥的粗氮的裝置。
在空氣各組分中，氧是順磁性物質，而粗氮(氮、二氧化碳、氬、氖、乙炔等)則屬于反磁性或抗磁性物質。這兩類物質的磁化率不但具有相反的符號，而且有極大的數值差。因此，將空氣驅入非均勻或梯度磁場，氧與粗氮將受到梯度磁場方向相反的作用力，獲得方向相反的加速度而進行分層，且可加以分流，從而直接將空氣分離為氧與粗氮產品。
氧的順磁化率與其溫度成反比，因而，以磁場力分離空氣的方法與裝置，隨介質溫度的降低而增大分離效率。由于氧在常溫中即具有很高的順磁化率(順磁化率反比于介質溫度)，而氮與其他空氣組分則具有反磁化率(與溫度無關)，所以本發明所提供的制取氧與粗氮產品的磁力空分方法與裝置，可以在常溫條件下將空氣按順磁質與反磁質直接分離為氧與粗氮產品。隨著空氣溫度的降低而分離效率增大。
因為磁力空分方法的作用原理和作業過程簡單，磁力空分裝置的結構也很簡單，可以制成體積小、重量輕的攜帶式的，也可以制成較大的多個裝置組合而具有工業規模產量的磁力空分裝置。使用高場強高梯度的超導電磁體的磁力空分裝置，其體積與重量則遠較相同產量的現有空分裝置為輕小。
因此，使用本發明所提供的磁力空分方法與裝置，可隨需用氧/和粗氮之處，就地直接分離空氣而獲得氧與粗氮產品，即制即用，停機即無，不需高壓鋼瓶運輸與儲存，節省費用，安全無險。
由于磁力空分裝置可以制成微型的到大型的裝置，且結構簡單，造價低廉，不唯企業易于購置，即使用家庭也可擁有。
因為磁力空分方法與裝置可以在常溫下分離空氣，不需將空氣深冷液化，所以作業耗能少，產品成本低。
乙炔與烴類化合物是反磁性物質，在磁力空分裝置中與順磁性的氧分離，隨氮而去，因而不存在氧與乙炔等烴類化合物發生爆炸的危險。
使用本發明所提供的制取氧與粗氮的磁力空分方法與裝置，可以使從生活爐灶直到工業窯爐的氣、液、固體燃料的燃燒過程，普遍得以純氧或富氧助燃，從而提高熱效率，節約大量的能源。可以使醫療保健事業獲得方便而價廉的氧源。廣大、邊遠的農業地區，可以得到方便價廉的粗氮，以用于農產品、中藥等滅蟲與儲存保鮮。
以下參考附圖，說明本發明的一部分實施例。
圖1是用梯度磁場分離空氣，用溫度差方法從磁場中輸出氧產品的裝置的原理示意圖;
圖2是應用梯度磁場分離空氣，用壓力差或/和溫度差方法輸出氧與粗氮產品裝置的原理示意圖;
圖3是圖2所示裝置的磁體支持構架;
圖4是單路環流通道磁力空分裝置的原理示意圖;
圖5是圖4所示裝置的結構圖;
圖6是具有兩路分流通道的磁力空分裝置的原理示意圖;
圖7是圖6所示裝置的結構圖;
圖8是使用超導磁體的磁力空分裝置的原理示意圖;
圖9是磁力空分裝置的調節裝置示意圖;
圖10是磁力空分裝置的并聯組合裝置示意圖;
圖11是磁力空分裝置的串聯組合裝置示意圖;
圖12是磁力空分裝置的具有磁軛的永磁體;
圖13是磁力空分裝置的常規電磁體。
圖1中兩個圓椎形永磁體(1)與(2)同軸異極相對，中有間距。所產生的圓形非均勻或梯度磁場，圓心處磁場強度最高，由圓心至圓周，場強隨半徑增大而減小，呈負梯度分布。氧輸出管(4)的進氣端設置在磁場中心，其輸出端在磁場之外。電加熱元件(11)設置在氧輸出管(4)內、靠磁場中心的一端。
使空氣(K)在限定的速度以內進入圖1所示的梯度磁場，則空氣中的氧(O2)受到梯度磁場指向磁場強度增大方向的，即指向磁場中心的作用力，獲得加速度，而被吸引到磁場強度最高的圓心處。處于磁場中心的氧(O2)所受的磁場力，是圓形梯度磁場由圓周指向圓心的合力。被梯度磁場吸引的氧(O2)充滿于兩磁極(1)與(2)之間及氧輸出管(4)中，用電加熱元件(11)將氧輸出管(4)內的氧(O2)加熱，則氧輸出管(4)中的氧(O2)溫度升高，磁化率降低，所受梯度磁場指向磁場中心的，場強增大方向的作用力減少，結果被氧輸出管(4)的進氣端外溫度較低，磁化率較高的氧(O2)所排擠，而從氧輸出管(4)的輸出端輸出磁場。進入管(4)的低溫氧(O2)又被加熱，及排擠出磁場。過程連續進行，加以收集，得氧(O2)產品。進入梯度磁場的粗氮(N2，c)受到指向磁場強度減少方向的作用力，即由磁場中心指向圓周的作用力，而與氧(O2)分離，向磁場外流去。圖1中被磁場力分離的粗氮(N2，c)未予回收。
使用溫度差方法，從梯度磁場中輸出氧(O2)時，氧輸出管(4)中的氧(O2)所受指向磁場強度減少方向的作用力，即指向輸出端的力，隨氧輸出管(4)內外的氧(O2)因溫度差而致的磁化率的差值增大而增大，隨裝置的梯度磁場的強度與梯度增大而增大。
用于加熱(O2)的熱源及相應的裝置，沒有限制。
圖2中兩個圓椎形永磁體(1)與(2)同軸異極相對，中有間距，所產生的圓形梯度磁場，特性為圖1之說明。梯度磁場處于一個橢球形容器(6)中。圓椎形永磁體(1)與(2)的底面上各裝置一個導流球面(7)和(8)。它們與容器(6)的殼壁之間構成氣體通道。殼壁上還裝置有空氣輸入管(3)與空氣源(圖中未畫出)連通，裝有粗氮輸出管(5)。氧輸出管(4)的進氣端設置在梯度磁場中心，場強最高處，其輸出端則置于容器(6)之外。
使空氣(K)在限定的速度以下，由空氣輸入管(3)進入容器(6)，遇導流球面(7)而形成球面流，循著導流球面(7)與容器(6)之間的離心通道流動。當空氣(K)進入磁極(1)與(2)之間的梯度磁場時，其中的氧(O2)因是順磁質而受到梯度磁場指向磁場強度增大方向的作用力，被吸引到磁場中心，場強最高處，并充滿于磁場及氧輸出管(4)中。使容器(6)內，氧輸出管(4)的進氣端的氣體壓力大于其輸出端的壓力，或者以氣體壓力抵消氧輸出管(4)內的氧(O2)所受到的梯度磁場的吸引力，則氧輸出管(4)中的氧(O2)，即被管(4)以外的磁場中的氧(O2)排擠，而由輸出端流出。過程連續進行，加以收集，得氧(O2)產品。
或者同時并用壓力差與溫度差兩種方法，經氧輸出管(4)輸出氧(O2)產品，圖2中加熱元件(11)未畫出。溫度差方法的原理，已如前述。
進入梯度磁場的粗氮(N2，c)因是反磁質，而受到指向磁場強度減小方向的作用力。被斥向容器(6)的殼壁，貼壁流動，后經容器(6)的殼壁與導流球面(8)之間的通道，從粗氮輸出管(5)流出容器(6)之外。加以收集，得粗氮(N2，c)產品。
在原理圖2所示裝置的結構與磁參數及介質溫度取值之后，容器(6)中流過梯度磁場的氧(O2)的速度，便有一個臨界值，超臨界速度(Vc)的氧(O2)將飛越兩磁極(1)與(2)之間的梯度磁場，隨粗氮(N2，c)而輸出。如圖2中氧(O2)的軌跡所示。V1＜V2＜Vc。
圖3中兩個凹圓椎形支承座(9)同軸相對，以裝置永磁體(1)與(2)。兩支承座(9)與3個以上徑向布置的支承壁(10)固定連結，以保持支承座(9)之間的距離，并與容器(6)構成氣體通道。
圖4所示梯度磁場(Bg)由兩個圓椎形永磁體(1)與(2)所產生，其特性如圖1、2之說明。圖4中梯度磁場(Bg)的磁力線方向是垂直進入紙面的，但是相反的磁力線方向也是等效的。
使空氣(K)在臨界速度(Vc)以下，經空氣輸入管(3)進入裝置，循著梯度磁場內的離心通道(23)流動，空氣(K)中的氧(O2)在梯度磁場中受到指向磁場強度增大方向的作用力，即向心力，粗氮(N2，c)則受到指向磁場強度減小方向的作用力，即離心力。氧(O2)與粗氮(N2，c)在通道(23)中逐漸分層，氧(O2)貼近導流壁(12)流動，而粗氮(N2，c)貼裝置的殼壁(14)流動。導流壁(12)的外導流面是按拋物線的軌跡趨向磁場中心的。氧(O2)在通道(23)中流動到導流壁(12)的末端，便被磁場力吸入導流壁(12)末端與分流劈(13)之間的磁陷井而至磁場中心，使用壓力差或/和溫度差的方法，使氧(O2)經氧輸出管(4)輸出，加以收集，得氧(O2)產品。壓力差和溫度差方法輸出氧(O2)的原理，已見圖1及圖2之說明。圖4中未畫出氧輸出管(4)中的加熱元件(11)。粗氮(N2，c)沿通道(23)外周流動至分流劈(13)處，便與氧(O2)分流，經由粗氮輸出管(5)輸出，加以收集，得粗氮(N2，c)產品。
圖5中的兩永磁體(1)與(2)同軸異極相對，置于兩個支承座(9)中，兩支承座(9)之間，由導流壁(12)支撐，以保持距離。裝置的殼壁(14)與導流壁(12)之間是離心通道(23)。空氣輸入管(3)與粗氮輸出管(5)均穿過殼壁(14)與通道(23)連通。氧輸出管(4)則經一個或兩個永磁體之中心開孔引出于裝置之外。或者氧輸出管(4)從空氣輸入管(3)與粗氮輸出管(5)之間，依徑向引出，與之并列。
圖6中圓形梯度磁場(Bg)的特性如圖1圖2及圖4之說明。
空氣(K)在臨界速度(Vc)以下，由空氣輸入管(3)進入裝置后，分兩路在離心通道(24)中流動。氧(O2)與粗氮(N2，c)因磁性質不同而受到梯度磁場方向相反的作用力，在通道(24)中漸次分層。受到梯度磁場向心作用力的氧(O2)貼雙路導流壁(15)流動，在雙路分流劈(16)之前被梯度磁場分兩路吸入磁場中心。使用前述壓力差或/和溫度差的方法，經氧輸出管(4)將氧(O2)輸出，收集得氧(O2)產品。本圖中加熱元件(11)未畫出。受到梯度磁場離心方向作用力的粗氮(N2，c)，貼著殼壁(14)流動至雙路分流劈(16)處與氧(O2)分流，兩路匯合后，從粗氮輸出管(5)流出，加以收集，得粗氮(N2，c)產品。
圖7中兩永磁體(1)與(2)同軸異極相對，產生所述的梯度磁場(Bg)。兩永磁體(1)與(2)置于兩個凹圓椎形磁體座(9)中。雙路導流壁(15)與雙路分流劈(16)支撐兩磁體座(9)以保持間距。裝置的殼壁(14)與雙路導流壁(15)及雙路分流劈(16)與磁體座(9)之間為氣體通道(24)。空氣輸入管(3)和粗氮輸出管(5)穿過殼壁(14)與通道(24)連通。氧輸出管(4)的進氣端設置在雙路導流壁(15)的內側，其輸出端則穿過雙路導流壁(15)與空氣輸入管(3)的內腔至裝置之外。在使用溫度差方法時。氧輸出管(4)的輸入端則延長至磁場中心。
圖8中磁力空分裝置的中間通道(18)的壁上裝置著雙端刺叭形超導電磁體(19)，它包括超導線圈與恒溫裝置。超導線圈饋電后，超導磁體(19)在中間通道(18)內產生高強高梯度的非均勻或梯度磁場，超導線圈中心處，即中間通道(18)的中心處磁場強度最高，由中心至兩端磁場強度逐漸減小，呈負梯度分布。
使空氣(K)在臨界速度(Vc)以下經空氣輸入管(3)進入環形通道(17)，分兩路循離心軌道流動，到中間通道(18)兩端，空氣(K)中的氧(O2)受到超導磁體(19)的梯度磁場的指向磁場強度增大方向的作用力，即指向磁場中心的作用力，而被吸引到中間通道(18)的中心，場強最高處。使用壓力差或/和溫度差的方法，使氧(O2)經氧輸出管(4)輸出。加以收集，得氧(O2)產品。圖8中氧輸出管(4)的加熱元件(11)未畫出。粗氮(N2，c)在通道(17)中被超導梯度磁場的指向磁場強度減小方向的作用力所排斥，貼通道(17)的外圓周流動，而后經由粗氮輸出管(5)輸出于裝置之外，加以收集，得粗氮(N2，c)產品。
磁力空分裝置的磁場強度與梯度愈高，則空分效率愈高，有利于獲得高純度與大產量的氧(O2)與粗氮(N2，c)產品。在常溫條件下，0.3T以上的平均磁場強度與其盡可能高的梯度，可有效地分離空氣。過小的磁場強度梯度不能克服空氣的熱運動，而使氧(O2)與粗氮(N2，c)獲得有序的、方向相反的運動，而被有效地分離。
圖9中(CKF)是圖2、圖4、圖6及圖8所示磁力空分裝置的框圖(CKF)。裝置(CKF)的空氣輸入管(3)上所裝調節閥(20)用以調節穩定進入裝置的空氣壓力、流量。氧輸出管(4)上的調節閥(21)用以調節氧(O2)產品的流量，以控制其純度。氧(O2)產量小于進入裝置的氧(O2)量時，產品趨向于高純度。反之產品為低純氧或富氧空氣。粗氮輸出管(5)上的調節閥(22)用來調節粗氮(N2，c)產出量。粗氮(N2，c)產量低于進入裝置的粗氮(N2，c)量時，獲得微氧或無氧粗氮(N2，c)產品。
圖10是制取氧與粗氮的磁力空分裝置(CKF)的并聯組合裝置。它由兩個以上的磁力空分裝置(CKF)并聯連通，組合而成。它們的空氣輸入管(3)、氧(O2)輸出管(4)及粗氮輸出管(5)分別自相連通。并聯組合的磁力空分裝置用于獲得相應大產量的氧(O2)或/和粗氮(N2，c)產品。
圖11是磁力空分裝置(CKF)的串聯組合裝置。經裝置(CKF-1)分離出的(O2)，輸入裝置(CKF-2)進行再次分離，以提高氧(O2)產品的純度。多次重復分離。可獲得高純度的氧(O2)產品。同樣的重復分離粗氮(N2，c)，可獲得微氧(O2)以至無氧(O2)粗氮(N2，c)。
多個裝置(CKF)的并聯-串聯，或串聯-并聯裝置，可以獲得高純度產品與大的產量。
圖12是磁力空分裝置(CKF)的具有磁軛(25)的永磁體(1)與(2)。
圖13是磁力空分裝置的常規電磁體，它具有鐵芯(26)，磁線圈(27)及磁極(28)與(29)。
以上已提供的磁力空氣分離裝置的部分實施例。并不限制裝置中用于產生梯度磁場的磁體的磁極形狀。
權利要求
1.一種制取氧與粗氮的方法，包括供給空氣，其特征在于使空氣進入非均勻或梯度磁場，空氣中的氧(O2)便受到梯度磁場指向磁場強度增大方向的作用力，被吸引到梯度磁場強度最高的區域，使用壓力差方法或/和溫度差方法將氧(O2)從高場強區域中經一通道輸出，得氧(O2)產品，空氣中的粗氮(N2，c)在梯度磁場中受到指向磁場強度減小方向的作用力，被排斥向磁場之外，從而與氧(O2)分離，加以收集，得粗氮(N2，c)產品。
2.一種制取氧與粗氮的裝置，包括空氣源，其特征在于，裝置具有(2-1)一個或一個以上的與空氣源連通的非均勻或梯度空間磁場，該磁場由(2-2)一個或一個以上的磁體所產生，所說的磁體是(2-2-1)永磁體或(2-2-2)常規電磁體，或者是(2-2-3)超導電磁體，(2-3)引導空氣進入梯度磁場的裝置，(2-4)確定氣體在裝置中流動軌跡的裝置，(2-5)從梯度磁場中輸出(O2)的裝置，(2-6)從裝置中輸出粗氮(N2，c)的裝置。
3.如權力要求2所述的裝置，其特征在于還包括裝置的調節裝置。
4.如權利要求2所述的裝置，其特征在于還包括由兩個以上的裝置(CKF)所并聯組合而成的裝置。
5.如權力要求2所述的裝置，其特征在于還包括由兩個以上的裝置(CKF)所串聯組合而成的裝置。
6.如權力要求2所述的裝置，其特征在于還包括3個以上的裝置所組成的并聯與串聯的混合聯結裝置。
全文摘要
提供一種制取氧與粗氮產品的方法與裝置。利用空氣組分中氧(O
文檔編號C01B13/02GK1086458SQ9211280
公開日1994年5月11日 申請日期1992年11月5日 優先權日1992年11月5日
發明者繆鍵 申請人:繆鍵, 繆長虹