[发明专利]利用磁力作用实现空气中氧气富集的层叠磁体阵列结构装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，提出了一种利用磁力作用实现空气中氧气富集的层叠磁体阵列结构装置及方法。

背景技术

上个世纪80年代国外学者开始研究基于磁致气流行为的氧气富集技术，国内在90年代中期开始有这方面研究的报道，但进展一直非常缓慢。总结起来，把磁致气流行为用于氧气富集的方法主要有两种：一种是利用磁化后磁性金属丝表面附近存在的高梯度磁场捕获氧分子实现氧气富集；另一种是通过在气体流道中布置梯度磁场，依靠梯度磁场产生的磁化力使氧氮的行进轨迹发生分离实现氧气富集。前者存在的问题是难以实现连续富集，后者存在的问题是气体湍流以及分子扩散很容易造成氧氮的再混合，从而大大降低了氧气的富集效率。2005年申请的一项国家发明专利提出了一种全新的利用磁致气流行为富集氧气的装置与方法[吴平、王立、蔡军等，利用磁力实现空气中氧气富集的装置及方法。国家发明专利，申请号：200510086240.9。公告号：CN1762792.2005]，提出利用2块磁体构成的磁场空间边界梯度磁场的拦截作用而非偏转作用实现氧气的富集，应用该方法所建立的小型实验装置已获得了0.65％的氧气富集率。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用磁力作用实现空气中氧气富集的装置及方法，实现空气中氧气的富集。该富氧装置具有结构简单，富氧效率较高，操作方便，造价低廉，能耗低，使用寿命长，适应性广等特点。

本发明的装置包括：层叠磁体阵列1(磁体可以是永久磁体，也可是电磁铁)，磁场空间7，磁场空间7开放边界上的流动阻尼层2(由有机或无机多孔介质材料制成)、空气源3、缓冲器4、空气输送管5、入口过渡段6、出口过渡段8、富氧空气输送管9、阀门10，11、富氮空气输送管12、容器外壳13以及富氧气体出口气体电加热器15。层叠磁体阵列由3～12000块磁体构成，形成2～11999个磁场空间，各磁体之间的间距为0.1mm～1000mm，各磁体的厚度为0.3mm～1500mm。层叠磁体阵列1相邻各磁体之间异极相对形成磁场空间7，在磁场空间的边界处形成磁场梯度；入口过渡段6的一端连接空气输送管5，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间7；磁场空间7的出口通过出口过渡段8与富氧空气输送管9相连。富氮空气输送管12与容器14相连；阀门10，11分别安装在富氧空气输送管9和富氮空气输送管12上，通过配合调节这两个阀门，可以控制从富氧空气输送管9以及富氮空气输送管12流出气体的流量和压力。空气经过缓冲器4，被送入磁场空间7，当空气进入磁场空间7后，由于通过富氧空气输送管9流出的富氧空气流量小于通过空气输送管5进入磁场空间的流量，将有部分空气向流动方向的两侧从磁场空间7的边界经过流动阻尼层2流出，由于在磁场空间7的边界处存在指向磁场空间内部的磁场梯度，氧气分子在磁场力的作用下其出流受到束缚，而氮气分子和其它分子可以顺利流出磁场空间7，被束缚在磁场空间内的氧气分子继续随主流气体沿原来的方向流动，这样就在磁场空间内部，尤其是在远离空气注入口的地方氧分子得到富集。富氧空气经出口电加热器15加热后，经出口过渡段8和富氧空气输送管9输送到装置外；富氮空气流入容器14中，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道12排出装置之外。如果采用多级结构，从装置中引出的富氧空气可以作为下一级装置的入口空气。

本发明所述的磁体截面的形状可以是方形、三角形、圆形，梯形或多边形。与此相对应，由其形成的磁场空间的截面形状可以是方形、三角形、圆形、梯形或多边形。

本发明所示的氧气富集装置也可以为多级结构，前一级的富氧空气出口作为后一级的空气入口，前后级装置具有相同的结构，因此所述装置的串联组合也属本发明范围之内

下面对本发明利用磁力来实现空气中氧气富集的原理及方法进行说明。

空气的主要成分是氧气和氮气，还有少量的二氧化碳，水蒸汽以及其它微量的惰性气体。在这些气体当中，氧气的体积磁化率为+146×10^-6(“+”表示该气体为顺磁性气体)，这类气体在梯度磁场受到的磁力的方向与场强梯度方向一致。相反，氮气的体积磁化率为-0.58×10^-6，二氧化碳的为-0.84×10^-6，水蒸汽的为-0.58×10^-6(“-”表示该气体为抗磁性气体)，这类气体在梯度磁场中受到的磁力的方向与场强梯度方向相反。由此可见，不但氧气的体积磁化率比空气中其它气体的体积磁化率大很多，而且其磁性相反。氧气的这一性质使得利用梯度磁场来实现空气中氧气的富集成为可能。