[实用新型]低温空气分离的超导磁分离器、分离装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及空气分离，尤其涉及利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导磁分离器、分离装置。

背景技术

工业气体是现代工业的“血液”，其应用遍及钢铁、冶金、化工、造船、汽车、医药、食品、电子、石油、航空航天等诸多重要领域。随着经济快速发展，工业气体的需求激增。据美国空气产品公司(APCI)预测：截至2015年全球工业气体市场年增长9％，达到960亿美元；亚洲市场年增长14％，而中国增长将高达19％。然而，工业气体生产中高能耗、高成本问题已成为制约工业气体行业乃至相关产业快速发展的突出瓶颈。

工业气体大都来自空气分离，其中氧、氮、氩气的需求量最大。空气分离的方法主要有低温精馏法、变压吸附法(PSA)、薄膜分离法、化学吸收法等多种。近年来，煤化工、石油化工、金属冶炼等行业不断推动着空气分离成套装备向着大型化、节能化和智能化方向发展。

除利用沸点差异实现低温精馏分离外，磁化率的差异也是可资利用的重要特性。氧气是顺磁性气体，其正磁化率为常见气体中最大。标准状态下，氧气的磁化率绝对值约为氮气的300倍；而氮气是逆磁性气体，磁化率较低且为负值，其磁化率大小基本不随温度而改变。氧氮混合物在梯度磁场中将受到方向相反的磁场力作用，因而呈现出相反的磁性流动行为，这为利用梯度磁场作用实现空气分离提供了理论依据。吴平等在专利文献ZL200510086240.9中提出了采用两块永磁铁叠放，利用其围成的磁场空间实现连续富氧的方法。磁场空间边界处指向空间内部的场强梯度起到了拦截氧气的作用，而逆磁性的氮气可以自由溢出磁场空间，这样在磁场空间内实现了氧气的连续富集，该富氧装置实验中单级最大氧气富集程度为0.65％。王喜魁等在专利文献ZL200820010636.4和ZL200820010635.X中 提出了两种小型带钢毛的高梯度空气分离装置，利用含铬不锈钢毛强化梯度磁场。磁力空气分离装置简便、能耗低，但普遍存在着产品纯度低的缺点。

为了提高磁力空气分离装置的效率及产品纯度，可以采用增强磁场强度、梯度，降低操作温度，与其它空气分离手段耦合作用等方法。邱利民等在专利文献ZL2014201361163中提出了一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，可以利用低温精馏与磁分离的耦合作用实现高纯度的空气分离。

实用新型内容

针对现有磁力空气分离装置中存在的问题，本实用新型提供一种高效率、高纯度的利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导磁分离器、分离装置。

一种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的方法，其特征在于，包括：使液态或超临界状态的空气在超导薄膜表面流过，超导薄膜内存在贯通的微孔，由于迈斯纳效应，微孔的两端将形成很高的磁场梯度，产生对于氧分子的反向作用力，从而透过薄膜的流体为氮气，截留的流体为氧气。

氧气是顺磁性气体，常温常压下其磁化率绝对值约为氮气的300倍，空气中的氧分子将受到朝向磁场强度增大方向的磁化力。同时，由于顺磁性气体遵从居里定律(磁化率与热力学温度成反比)，低温下氧气的磁化率将大幅提高，磁分离的作用将显著提升；相反地，氮气只具有相当微弱的逆磁性，且磁化率大小与温度无关，氮分子的运动基本不受磁场的影响。

所述超导薄膜放置在高强度磁场中，高强度磁场由外磁体提供，外磁体可采用超导磁体提供。处于超导状态的薄膜在外加磁场下将产生迈斯纳效应，即薄膜表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场与外加磁场大小相等、方向相反，因而超导体完全排出了外部磁场，超导体外部的磁感线将绕过超导体传播。

所述超导薄膜内部存在贯通的微孔，由于迈斯纳效应，微孔的两端将形成很高的磁场梯度。当空气流经超导薄膜的一侧表面时，空气中的氧分子在微孔端部附近将受到朝向超导薄膜外侧的磁化力作用，从而被拦截在 孔外，而氮分子可以无阻碍地通过微孔运动到超导薄膜的另一侧。

所述空气原料处于低温液体或超临界气体状态，原料本身将提供超导磁体和超导薄膜维持超导状态所需的低温。当原料为液态时，可以利用重力维持超导薄膜两侧的压力差。当原料为超临界状态时，原料中的组分扩散系数更高，有利于氮气分子透过薄膜实现分离，但需要额外的压力以提供流体透过薄膜所需的动力。

本实用新型还提供了一种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导磁分离器，包括带有空气原料进口、氧气出口和氮气出口的外壳，以及设于外壳内的分离芯体，所述分离芯体包括：

用于提供磁场的外磁体；

至少一部分为多孔超导薄膜的分离元件，该分离元件设置在所述外磁体磁场内部；