一种利用太阳能加热的透氧膜渗透器系统的制作方法

1.本发明涉及透氧膜制氧系统，特别涉及一种利用太阳能加热的透氧膜渗透器系统。


背景技术：

2.透氧膜渗透器以混合氧离子-电子导体为膜材料，可用于纯氧制备、催化氧化反应和分解反应过程等。相比于传统深冷法和变压吸附法，透氧膜渗透器用于氧气制备极大地降低了成本，在化工生产过程中具有良好的应用价值和商业前景。
3.透氧膜渗透器制氧过程中的能耗和运行成本主要来自膜渗透器所需的高温。目前透氧膜渗透器的研发过程中大多采用电热炉加热获得高温，这种方式结构复杂、能耗高、生产成本较高。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种利用太阳能加热的透氧膜渗透器系统，以实现氧气或富氧空气的制备。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案；
6.一种利用太阳能加热的透氧膜渗透器系统，包括太阳能集热器、透氧膜渗透器、供气系统及在线气相色谱分析装置，其中，
7.所述供气系统与透氧膜渗透器连接，用于提供空气；
8.所述透氧膜渗透器用于空气分离制备氧气和富氧空气；
9.所述太阳能集热器设置于透氧膜渗透器的一侧，用于将太阳能转换为热能，从而为透氧膜渗透器提供热源；
10.所述在线气相色谱分析装置与透氧膜渗透器连接，用于在线气相色谱检测。
11.所述太阳能集热器为聚光型集热器。
12.所述透氧膜渗透器包括反应室及设置于反应室内的渗透膜，所述渗透膜将反应室分隔为气室ⅰ和气室ⅱ；
13.所述气室ⅰ设有进气口和出气口，进气口与所述供气系统连通，出气口与所述在线气相色谱分析装置连接；
14.所述气室ⅱ设有导气口，所述导气口通过排气管路与所述在线气相色谱分析装置连接。
15.所述供气系统包括通过供气管路ⅰ依次连通的储气容器ⅰ、纯化装置ⅰ及流量计ⅰ，所述供气管路ⅰ与所述气室ⅰ的进气口连通。
16.所述的利用太阳能加热的透氧膜渗透器系统，还包括抽真空系统和/或吹扫系统，所述抽真空系统包括抽真空管路、三通阀和真空泵；其中三通阀的一个接口与所述导气口连接，另外两个接口分别与所述排气管路和抽真空管路的一端连接，所述抽真空管路的另一端与所述在线气相色谱分析装置连接，所述真空泵设置于所述抽真空管路上；
17.所述吹扫系统包括通过供气管路ⅱ依次连通的储气容器ⅱ、纯化装置ⅱ及流量计ⅱ；供气管路ⅱ与所述气室ⅱ设有的扫气接口连通。
18.所述渗透膜为片状渗透膜；
19.所述反应室内设有支撑管，所述导气口设置于支撑管的一端，所述片状渗透膜设置于所述支撑管的另一端，使所述支撑管的内腔形成所述气室ⅱ。
20.所述气室ⅰ内设有与所述进气口连通的进气导气管，所述进气导气管的出气口与所述片状渗透膜相对应；
21.所述支撑管内插设有排气导气管，所述排气导气管与所述导气口连通。
22.所述支撑管内设有与所述扫气接口连通的的扫气管，所述扫气管的长度大于所述导气管的长度。
23.所述渗透膜为中空渗透膜，所述中空渗透膜的一端与所述导气口连通，另一端为封闭端；所述中空渗透膜的内腔形成所述气室ⅱ。
24.所述反应室采用石英管，所述石英管的两端分别设有上密封法兰和下密封法兰；所述上密封法兰上设有所述进气口，所述下密封法兰上设有所述出气口；或所述上密封法兰上设有所述出气口，所述下密封法兰上设有所述进气口。
25.本发明的优点及有益效果是：
26.与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
27.本发明利用丰富免费的可再生的太阳能加热透氧膜渗透器进行氧气制备，无需电加热炉，降低了能耗，极大地节约了透氧膜渗透器的运行成本，采用智能角度调整器根据太阳直射角度进行自动化控制太阳能加热器，减小了加热温区温度的波动影响；对目前广泛使用的透氧膜材料和渗透器类型具有普适性；根据在线气相色谱检测结果及时对装置设定参数进行调整。
附图说明
28.图1是本发明利用太阳能加热的透氧膜渗透器系统的结构示意图；
29.图2是本发明实施例一中透氧膜渗透器的结构示意图；
30.图3是本发明实施例二中透氧膜渗透器的结构示意图；
31.图4是本发明实施例三中透氧膜渗透器的结构示意图；
32.图5是本发明实施例三中透氧膜渗透器的制氧速率随实际测试温度变化的曲线图。
33.图中：1为太阳能集热器；2为透氧膜渗透器；201为上密封法兰；202为反应室；203为进气导气管；204为片状渗透膜；205为密封胶；206为支撑管；207为出气口；208为进气口；209为排气导气管；210为下密封法兰；211为导气口；212为扫气管；213为扫气接口；214为中空渗透膜；3为智能角度调整器；4为储气容器ⅰ；5为储气容器ⅱ，6为纯化装置ⅰ；7为纯化装置ⅱ，8为流量计ⅰ；9为流量计ⅱ；10为三通阀；11为真空泵；12为在线气相色谱分析装置。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
35.如图1所示，本发明提供的一种利用太阳能加热的透氧膜渗透器系统，包括太阳能集热器1、透氧膜渗透器2、供气系统及在线气相色谱分析装置12，其中，供气系统与透氧膜渗透器2连接，用于提供空气；透氧膜渗透器2用于空气分离制备氧气和富氧空气；太阳能集热器1设置于透氧膜渗透器2的一侧，用于将太阳能转换为热能，从而为透氧膜渗透器2提供热源；在线气相色谱分析装置12与透氧膜渗透器2连接，用于在线气相色谱检测。
36.如图1所示，太阳能集热器1为聚光型集热器，可将太阳光聚焦在透氧膜渗透器上，把太阳辐射能转化为热能，所提供的加热温度区间为0～1100℃。聚光型集热器包括聚光器和智能角度调整器3，其中聚光器为抛物线型的反射镜，将平行于其对称轴的光线聚集到透氧膜渗透器2上。智能角度调整器3用于将聚光器的轴线始终指向太阳。具体地，智能角度调整器3可采用程序控制式，是预先用计算机计算并存储设置点的太阳运动规律，然后依据程序以一定的速度转动聚光器，使其跟踪太阳；或者智能角度调整器3可采用传感器式，使用传感器测出太阳入射光的方向，通过步进电机等驱动机构调整反射镜的方向，以消除太阳方向同反射镜光轴间的偏差。可由智能角度调整器3根据太阳直射角度进行自动化控制，太阳光有效直射角度范围为0～180
°
。
37.如图1-2所示，透氧膜渗透器2包括反应室202及设置于反应室202内的渗透膜，渗透膜将反应室202分隔为气室ⅰ和气室ⅱ，气室ⅰ设有进气口208和出气口207，进气口208与供气系统连通；气室ⅱ设有导气口211，导气口211通过排气管路与在线气相色谱分析装置12连接。
38.如图1所示，供气系统包括供气系统ⅰ，供气系统ⅰ包括通过供气管路ⅰ依次连通的储气容器ⅰ4、纯化装置ⅰ6及流量计ⅰ8，供气管路ⅰ与气室ⅰ的进气口208连通。
39.在上述实施例的基础上，如图1所示，本发明提供的一种利用太阳能加热的透氧膜渗透器系统还包括抽真空系统和/或吹扫系统；抽真空系统包括抽真空管路、三通阀10和真空泵11；其中三通阀10的一个接口与导气口211连接，另外两个接口分别与排气管路和抽真空管路的一端连接，抽真空管路的另一端与在线气相色谱分析装置12连接，真空泵11设置于抽真空管路上。吹扫系统包括通过供气管路ⅱ依次连通的储气容器ⅱ5、纯化装置ⅱ7及流量计ⅱ9；供气管路ⅱ与气室ⅱ设有的扫气接口213连通，如图3所示。纯化装置ⅰ和纯化装置ⅱ7为具有脱除水和固体杂质功能的过滤器，包括活性炭、不锈钢网筛、分子筛等。
40.实施例一
41.本实施例中，如图2所示，渗透膜为片状渗透膜204；反应室202内设有支撑管206，导气口211设置于支撑管206的一端，片状渗透膜204设置于支撑管206的另一端，使支撑管206的内腔形成气室ⅱ。
42.进一步地，如图2所示，气室ⅰ内设有与进气口208连通的进气导气管203，进气导气管203的出气口与片状渗透膜204相对应；支撑管206内插设有排气导气管209，排气导气管209与导气口211连通。
43.片状渗透膜204的表面可以选择涂覆或不涂覆多孔涂层来改善氧气的分离性能。密封方式可采用冷密封或热密封，冷密封适用于环境温度低于300℃时采用法兰、树脂密封胶等密封，热密封适用于环境温度高于300℃时采用高温陶瓷密封胶、金属或玻璃等密封。反应室202材质以石英玻璃和不锈钢等耐高温材料为主，便于阳光直射渗透膜表面，最大限度的提高透氧膜表面的温度；本实施例中，反应室202采用石英管，石英管的两端分别设有
min-1
、压强3bar，通入透氧膜渗透器2一侧的气室ⅰ内。在太阳光照射充足的天气条件下，由智能角度调整器3调节太阳能集热器1角度，来加热透氧膜渗透器2。同时渗透膜另一侧的气室ⅱ由储气容器ⅱ5供给空气，经纯化装置ⅱ7过滤除去水分和杂质后，由流量计ⅱ9控制空气流速为30ml min-1
，通入透氧膜渗透器2另一侧的气室ⅱ内，吹扫出的富氧空气由气相色谱检测仪进行在线分析，氧气纯度大于40％。
56.本发明的实施例中，太阳能集热器1可将太阳光聚焦在透氧膜渗透器2上，把太阳辐射能转化为热能，所提供的加热温度区间为0～1100℃，可由智能角度调整器3根据太阳直射角度进行自动化控制，太阳光有效直射角度范围为0～180
°
。所用透氧膜材料为具有氧离子-电子混合导电性的单相膜或双相膜。单相透氧膜为具有氧离子、电子混合导电能力的陶瓷材料，晶体结构为钙钛矿、类钙钛矿、尖晶石等；双相透氧膜由氧离子导体相和电子导体相复合而成，氧离子导体相为稀土金属(la、sm、pr、gd、nd等)掺杂的氧化铈或y、sc掺杂的氧化锆等，电子导体相为具有电子导电性的金属或金属氧化物等。透氧膜渗透器内氧气或富氧空气制备可以采用膜一侧通空气，另一侧用真空泵抽真空或通气体吹扫来实现氧气或富氧空气的制备。本发明的实施例中，空气是压强为0～3mpa的常压空气或压缩空气；吹扫气体为常压空气。膜表面可以选择涂覆或不涂覆多孔涂层来改善氧气的分离性能。密封方式可采用冷密封或热密封，冷密封适用于环境温度低于300℃时采用法兰、树脂密封胶等密封，热密封适用于环境温度高于300℃时采用高温陶瓷密封胶、金属或玻璃等密封。真空泵为气体传输泵或气体捕集泵，提供的相对真空度范围为0～-101kpa。该系统能有效利用太阳能加热透氧膜渗透器，无需外加电加热炉，降低了能耗，极大地节约了透氧膜渗透器制备氧气和富氧空气的运行成本，未来可作为空气净化器等用于体育馆、会议室等室内场所。
57.以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。