一种基于微/纳尺度热流逸效应和宏观涡流冷热效应的气体分离系统

摘要

本发明公开了一种基于微/纳尺度热流逸效应和宏观涡流冷热效应的气体分离系统，该系统由流量调节阀、涡流管、热流逸式气体分离设备、气体收集箱、第一压力调节阀、气体混合箱、第二压力调节阀等组成。本发明的优点：1.本发明提供的气体分离系统与现有技术相比：1)无需“液体吸收剂再生”系统，也无需“固体吸附剂再生”系统，能耗低、系统流程简单，可以连续运行。2)可以通过调整运行工况获得多种气体产品，成本低、启动快、易于操作和调节。

说明书

技术领域

本发明属于气体分离领域，具体是一种基于微/纳尺度热流逸效应和宏观 涡流冷热效应的气体分离系统。

背景技术

气体分离技术在工业、医疗、航空航天、科学研究等领域的应用越来越广 泛，如从空气中分离制备富氧和富氮，一些工业生产过程中的废气处理等。目 前应用最为广泛的气体分离方法主要有气体吸收分离法、气体吸附分离法、气 体膜分离法、气体低温分离法等。气体吸收分离法由于具有吸收率和吸收速度 较高、废气的处理量大、污染物浓度低等特点而被广泛用于工业的废气处理。 但是气体吸收分离法的装置较为庞大，多为一些塔设备，此外，液体吸收剂的 选择受到一定限制，该方法存在吸收剂的“再生”过程，且气体吸收过程中往 往会产生一些额外的副产品。气体膜分离法的装置简单，操作方便，启动快但 膜组件成本高，而且膜组件对气体具有选择透过性，对于特定的膜组件只能生 产对应的气体，不易调节，生产能力比较低，主要适用于富氧燃烧和医疗保健 等场合。气体吸附分离法的流程简单，操作方便，运行成本较低，但由于该方 法存在吸附剂的“再生”过程，使其能耗较高，且该流程是一个间歇运行过程， 所以较适合于容量不太大气体分离装置。气体低温分离法具有生产量大、产品 纯度高、产品种类多等特点而成为目前应用最广泛的空气分离系统。但与气体 吸附分离法和气体膜分离法相比流程复杂，设备体积庞大，操作繁琐，启动慢， 不易调节，投资大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于微/纳尺度热流逸效应和宏观涡流冷热 效应的气体分离系统以解决：1.现有气体吸收分离法所需液体吸收剂和吸收剂 需“再生”等问题。2.现有气体吸附分离法中吸附剂需“再生”、耗能大和不 连续运行等问题。3现有气体低温分离法系统流程复杂，不易操作等问题；4. 现有气体膜分离法成本高、产品单一等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于微/纳尺度热流逸效应和宏观涡流冷热效应的气体分离系统，是 将涡流效应产生的冷热气流分别去冷却和加热微/纳尺度热流逸式气体分离设 备的冷腔和热腔。该系统由流量调节阀、涡流管、热流逸式气体分离设备、第 一压力表、第一温度表、第一压力调节阀、气体收集箱、气体混合箱、第二压 力调节阀、第二压力表、第二温度表组成。

1各部件的结构或作用：

1)所述涡流管由涡流管喷嘴、涡流室、分离孔板、涡流管冷管、涡流管 热管等组成。未被分离的压缩混合气体在涡流管喷嘴内增速，然后在涡流室内 分成温度不等的两股气流，低温气体流入涡流管冷管，高温气体流入涡流管热 管。

2)所述热流逸式气体分离设备是以微/纳尺度热流逸效应为工作原理的气 体分离设备。所述热流逸式气体分离设备为夹层结构，由热通道、冷通道、微 通道组、热腔、冷腔、保温层、导热层组成；所述微通道组是发生热流逸效应 部分，它的单个微通道的特征尺寸应与被分离气体的分子平均自由程相当或者 更小；所述分子平均自由程是由被分离气体的种类和运行工况决定；所述热通 道和所述冷通道由所述保温层包裹着；所述热通道与所述热腔、所述冷通道与 所述冷腔分别由导热层分隔开，所述热通道与冷通道在导热层外，所述热腔、 所述微通道组和所述冷腔在导热层内；高温气体通过热通道入口进入热通道并 通过导热层加热热腔，低温气体通过冷通道入口进入冷通道并通过导热层冷却 冷腔，从而使冷腔与热腔之间形成温度差，在温度差的驱使下冷腔内被分离的 气体经过微通道组进入热腔，然后再由热腔出口经过第一压力调节阀进入气体 收集箱，进而实现气体的分离。

3)所述气体混合箱的作用是将由气体混合箱第一入口进入的气体、由气 体混合箱第二入口进入的气体和由气体混合箱第三入口进入的气体进行混合， 并且使混合气体的压力在其内稳定。

4)所述第一压力调节阀的作用是对热腔的压力进行调节，使被分离的气 体在微通道组内能达到发生热流逸效应的压力条件。

5)所述第二压力调节阀的作用是对冷腔的压力进行调节，使被分离的气 体在微通道组内能达到发生热流逸效应的压力条件。

6)所述流量调节阀的作用是调节进入涡流管的气体流量，从而控制经过 热通道入口进入热通道的高温气体流量和经过冷通道入口进入冷通道的低温 气体流量，最终实现冷腔内和热腔内温度的调节。

7)所述第一压力表的作用是对热腔内的压力进行实时监控，以便运行过 程中压力的控制。

8)所述第二压力表的作用是对冷腔内的压力进行实时监控，以便运行过 程中压力的控制。

9)所述第一温度表的作用是对热腔内的温度进行实时监控，以便运行过 程中温度的控制。

10)所述第二温度表的作用是对冷腔内的温度进行实时监控，以便运行过 程中温度的控制。

2.各部件的连接关系：

所述流量调节阀与所述涡流管的涡流管喷嘴相连；所述涡流管热管与所述 热通道入口相连；所述热通道出口与所述气体混合箱的第一入口相连；所述涡 流管冷管与所述冷通道入口相连；所述冷通道出口与所述气体混合箱的第二入 口相连；所述气体混合箱的出口与所述第二压力调节阀的入口相连；所述第二 压力调节阀的出口与所述冷腔入口相连；所述冷腔出口与所述气体混合箱的第 三入口相连；所述热腔出口与所述第一压力调节阀的入口相连；所述第一压力 调节阀的出口与所述气体收集箱相连。所述第一压力表和第一温度表安装在所 述热腔上，所述第二压力表和第二温度表安装在所述冷腔上。

上述基于微/纳尺度热流逸效应和宏观涡流冷热效应的气体分离系统可以 改变所述热流逸式气体分离设备的运行工况(如温度和压力)，实现对所要分 离气体的分子平均自由程进行调节，从而使所要分离气体的分子平均自由程与 所述微通道组中单个微通道的特征尺寸相当即可实现同一设备分离出不同的 气体。

本发明与现有气体分离技术相比的优点：

1.本发明提供的气体分离系统与气体吸收分离法相比无需液体吸收剂，也 无需“吸收剂再生”系统，而且其设备简单、易于调节。

2.本发明提供的气体分离系统与气体吸附分离法相比无需“吸附剂再生” 系统，具有能耗低、系统流程简单、且可以连续运行等特点。

3.本发明提供的气体分离系统与气体低温分离法相比系统流程简单、成本 低、操作简单、启动快等特点。

4.本发明提供的气体分离系统与气体膜分离法相比成本低，易于操作，可 以通过调节运行工况获得多种产品。

附图说明

图1是一种基于微/纳尺度热流逸效应和宏观涡流冷热效应的气体分离系 统结构示意图。

图中，流量调节阀1、涡流管喷嘴2、涡流管3、涡流管热管4、热通道入 口5、热流逸式气体分离设备6、第一压力表7、第一温度表8、热腔出口9、 热通道出口10、第一压力调节阀11、气体收集箱12、气体混合箱第一入口13、 气体混合箱14、气体混合箱第二入口15、气体混合箱第三入口16、气体混合 箱出口17、第二压力调节阀18、冷腔入口19、冷通道入口20、第二压力调表 21、第二温度表22、冷腔出口23、冷通道出口24、涡流管冷管25。

图2是热流逸式气体分离设备的纵向剖面结构示意图。

图中，热通道入口5、热腔出口9、热通道出口10、冷腔入口19、冷通道 入口20、冷腔出口23、冷通道出口24、热通道26、热腔27、冷腔28、冷通 道29、微通道组30、保温层31、导热层32。

图3是热流逸式气体分离设备横截面结构示意图。

图中，热通道出口10、冷腔出口23、冷通道出口24、热通道26、热腔 27、微通道组30、保温层31、导热层32。

图4是涡流管的截面结构示意图。

图中，喷嘴2、涡流室33、分离孔板34、涡流管冷管25、涡流管热管4。

具体实施方式

本发明提出一种以涡流管制冷和制热效应与微/纳尺度热流逸效应为工作 机制的气体分离系统。其中基于微/纳尺度热流逸效应运行的气体分离设备依 靠热能驱动，即在该气体分离设备的冷腔和热腔之间形成温度差，满足微/纳 尺度热流逸效应的气体就会自动地从冷腔流向热腔。而涡流管的制冷制热效应 正好可以用于冷却或加热气体分离设备的冷腔和热腔，进而形成温度差驱动气 体分离设备的运行。在本发明方法中，首先利用涡流管产生冷热气体分别去冷 却和加热气体分离设备的冷腔和热腔，然后再把冷、热这两股气体混合，最终 通入气体分离设备的冷腔进行分离。这样可以有效地实现能量的合理利用，进 而节约能源。此外，也可以直接利用某些工艺过程产生的余(废)热资源来驱 动气体分离设备，提高工艺过程的能源效率。由于本发明主要由涡流管、气体 分离设备及一些辅助设备等组成，所以其流程工艺简单，投资少、成本低、易 于操作。此外，本发明设计的微/纳尺度热流逸式气体分离设备可以通过多级 串联的方式来提高产品的纯度，也可以通过调节运行工况就能获得多种不同的 产品，这两点明显优于现有的气体分离技术。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。应当理解，此处所描述的 具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是一种基于微/纳尺度热流逸效应和宏观涡流冷热效应的气体分离 系统，其结构如图1所示：

一种基于微/纳尺度热流逸效应和宏观涡流冷热效应的气体分离系统，是 将涡流效应产生的冷热气流分别去冷却和加热微/纳尺度热流逸式气体分离设 备的冷腔和热腔。该系统由流量调节阀1、涡流管3、热流逸式气体分离设备 6、第一压力表7、第一温度表8、第一压力调节阀11、气体收集箱12、气体 混合箱14、第二压力调节阀18、第二压力表21、第二温度表22组成。

1各部件的结构或作用：

1)所述涡流管3由涡流管喷嘴2、涡流室33、分离孔板34、涡流管冷管 25、涡流管热管4等组成。未被分离的压缩混合气体在涡流管喷嘴2内增速， 然后在涡流室33内分成温度不等的两股气流，低温气体流入涡流管冷管25， 高温气体流入涡流管热管4。

2)所述热流逸式气体分离设备6是以微/纳尺度热流逸效应为工作原理的 气体分离设备。所述热流逸式气体分离设备6为夹层结构，由热通道26、冷 通道29、微通道组30、热腔27、冷腔28、保温层31、导热层32组成；所述 微通道组30是发生热流逸效应部分，它的单个微通道的特征尺寸应与被分离 气体的分子平均自由程相当或者更小；所述分子平均自由程是由被分离气体的 种类和运行工况决定；所述热通道26和所述冷通道29由所述保温层31包裹 着；所述热通道26与所述热腔27、所述冷通道29与所述冷腔28分别由导热 层32分隔开，所述热通道26与冷通道29在导热层32外，所述热腔27、所 述微通道组30和所述冷腔28在导热层32内；高温气体通过热通道入口5进 入热通道26并通过导热层32加热热腔27，低温气体通过冷通道入口20进入 冷通道29并通过导热层32冷却冷腔28，从而使冷腔28与热腔27之间形成 温度差，在温度差的驱使下冷腔28内被分离的气体经过微通道组30进入热腔 27，然后再由热腔出口9经过第一压力调节阀11进入气体收集箱12，进而实 现气体的分离。

3)所述气体混合箱14的作用是将由气体混合箱第一入口13进入的气体、 由气体混合箱第二入口15进入的气体和由气体混合箱第三入口16进入的气体 进行混合，并且使混合气体的压力在其内稳定。

4)所述第一压力调节阀11的作用是对热腔27的压力进行调节，使被分 离的气体在微通道组30内能达到发生热流逸效应的压力条件。

5)所述第二压力调节阀18的作用是对冷腔28的压力进行调节，使被分 离的气体在微通道组30内能达到发生热流逸效应的压力条件。

6)所述流量调节阀1的作用是调节进入涡流管3的气体流量，从而控制 经过热通道入口5进入热通道26的高温气体流量和经过冷通道入口20进入冷 通道29的低温气体流量，最终实现冷腔28内和热腔27内温度的调节。

7)所述第一压力表7的作用是对热腔27内的压力进行实时监控，以便运 行过程中压力的控制。

8)所述第二压力表21的作用是对冷腔28内的压力进行实时监控，以便 运行过程中压力的控制。

9)所述第一温度表8的作用是对热腔27内的温度进行实时监控，以便运 行过程中温度的控制。

10)所述第二温度表22的作用是对冷腔28内的温度进行实时监控，以便 运行过程中温度的控制。

2.各部件的连接关系：

所述流量调节阀1与所述涡流管喷嘴2相连；所述涡流管热管4与所述热 通道入口5相连；所述热通道出口10与所述气体混合箱的第一入口13相连； 所述涡流管冷管25与所述冷通道入口20相连；所述冷通道出口24与所述气 体混合箱的第二入口15相连；所述气体混合箱的出口17与所述第二压力调节 阀18的入口相连；所述第二压力调节阀18的出口与所述冷腔入口19相连； 所述冷腔出口23与所述气体混合箱的第三入口16相连；所述热腔出口9与所 述第一压力调节阀11的入口相连；所述第一压力调节阀11的出口与所述气体 收集箱12相连。所述第一压力表7和第一温度表8安装在所述热腔27上，所 述第二压力表21和第二温度表22安装在所述冷腔28上。

上述基于微/纳尺度热流逸效应和宏观涡流冷热效应的气体分离系统可以 改变所述热流逸式气体分离设备6的运行工况(如温度和压力)，实现对所要 分离气体的分子平均自由程进行调节，从而使所要分离气体的分子平均自由程 与所述微通道组30中单个微通道的特征尺寸相当即可实现同一设备分离出不 同的气体。

具体实施例

在本实施例中，具体流程步骤如下：

如图1和图4所示，未被分离的压缩混合气体经过流量调节阀1进入涡流 管喷嘴2，在喷嘴2内压缩气体的压力降低速度升高，分离气体的速度升高后 沿切线方向高速进入涡流室33，并在涡流室33内形成自由涡流，经过动能交 换分离成温度不等的两部分。其中心部分动能降低变为低温气体流入涡流管冷 管25；边缘部分动能增大成为高温气体流入涡流管热管4。

如图1和图2所示，从涡流管热管4流出的高温气体由热通道入口5进入 热通道26，并通过导热层32对热腔27进行加热，释放热量后的气体最后由 热通道出口10排出；从涡流管热管25流出的低温气体由冷通道入口20进入 冷通道29，并通过导热层32对冷腔28进行冷却，吸收热量后的气体最后由 冷通道出口24排出；由于热腔27和冷腔28分别被加热和冷却，从而使它们 之间形成温度差。在所述温度差的驱使下冷腔28内满足发生热流逸效应的气 体(即被分离的气体)经过微通道组30进入热腔27，然后再由热腔出口9经 过第一压力调节阀11进入气体收集箱12，进而实现气体的分离。

来自气体混合箱第一入口13的气体与来自气体混合箱第二入口15的气 体，以及与来自气体混合箱第三入口16的气体在气体混合箱14内混合均匀， 并使三股气流趋于一个稳定状态。

未被分离的混合气体从气体混合箱出口17经过第二压力调节阀18进入气 体分离设备的冷腔28。

在热腔27和冷腔28之间的温度差的驱使下，被分离气体因发生热流逸效 应而从冷腔28经过微通道组30进入热腔27。然后被分离气体由热腔出口9 经过第一压力调节阀11进入气体收集箱12，完成气体的分离过程。

在本实施例中，气体混合箱14的作用是循环利用未被分离的混合气体， 并起到稳压的作用，但对于本发明并不能局限于这种方式，也可不选用气体混 合箱14，直接将冷通道出口24与冷腔入口19相连。

在本发明的实施例中，热流逸式气体分离设备6采用的是单级分离设备， 但对于本发明并不能局限于此，若为了使被分离气体达到更高的纯度也可以采 用多级串联的方式进行分离。

在本发明的实施例中，首先根据被分离的主要气体的分子直径和运行工 况，设计出热流逸式气体分离设备6中微通道组30中单个微通道的特征尺寸。 若想分离多种不同的气体，可以改变热流逸式气体分离设备6的运行工况(如 温度和压力)，调节所要分离气体的分子平均自由程，从而使所要分离气体的 分子平均自由程与所述微通道组30中单个微通道的特征尺寸相当即可。

在本发明的实施例中，气体收集箱12用于收集被分离出来的气体，但对 于本发明并不能局限于此，如在某些工业应用中，也可采用直接与相关设备相 连，进而无需气体分离箱。

在本发明的实施例中，热流逸式气体分离设备6的驱动能源来源于涡流管 的冷热气流，但对于本发明并不能局限于此，如在某些工业应用中，也可直接 采用工艺过程产生的余(废)热进行加热。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但对于本发明并不能局限于本实 施例，在不脱离本发明型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变 化、修改、替换和变型,本发明型的范围由权利要求及其等同物限定。