一种对称混合流动氧氮分离制取机的制作方法

本发明涉及制氮制氧机技术领域，具体为一种对称混合流动氧氮分离制取机。

背景技术：

现有技术中，制氧与制氮常常是通过降温增压空气得到液态空气组分，然后在不同的温度下进行蒸发分别制取氮气和氧气的，然而，这种方法只能作为很粗糙的前道工序进行，因为，-210～-160℃范围内，尽管不同压力下氮气与氧气的沸点不同，但是，因为饱和蒸气压的存在，即使氧气没有达到沸点，仍然会有一部分液氧蒸发混入氮气气相中，由容器顶部抽取的气相是该压力下以氮气与氧气饱和蒸气压比例的氮氧混合物，例如氮气-210℃所对应的饱和蒸气压约为12935pa，而氧气-210℃所对应的饱和蒸气压约为1771pa，而12935pa对应的纯液氧沸点约为-199℃，以氮气分压12935pa作为制氮制氧机的工作压力，-210℃蒸发氮气，在氮气中仍会不断混入混合物分压为1771pa的氧气，由于提取气相时不可能做到只提取氮气而让氧气保留在罐体内，即蒸发出来的气体是等比例地抽走的，后续的蒸发制取仍然有这么多比例的氧气未达沸点而蒸发，制取的混合物含有约12％的氧气，随着蒸发压力的升高，在氮气分压99219pa压力下以-196℃蒸发制取氮气，会混入约17％的氧气，所以，该制取方式精度不高，如果需要更高纯度的氮气(液氮)或氧气(液氧)，需要后续的处理工艺。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种对称混合流动氧氮分离制取机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种对称混合流动氧氮分离制取机，包括制氧壳、制氮壳、物料管、第一转移管组件和第二转移管组件，制氧壳和制氮壳分别在各自的上表面设置对外连接的物料管，物料管上设置用于控制通断的阀门，第一转移管组件构建制氧壳往制氮壳的物料流动方向，第二转移管组件构建制氮壳往制氧壳的流动方向，制氧壳内工作温度低于制氮壳。

液氮与液氧具有不同的饱和蒸气压曲线，其关系式近似可以用antoine公式表示：

p＝10^(a-b/(t+c))/760*101325，式中，p为压力，单位pa，t为温度，单位℃，a/b/c为物性常熟，氮分子分别为6.86606、308.365、273.2，液分子分别为6.98983、370.757、273.2，汇总整理出不同温度下纯物质的饱和蒸汽压的近似值见表1：液氮与液氧的混合物存在的罐体中，液面上方的气相组分总是以该温度下的饱和蒸气压作为组分比例，例如-210℃下，液氮液氧混合物上方的氮气分压一定是12935.106pa，如果氮气分压低于该数值，则会有液氮挥发为气态补充进气相来提高分压，如果高于，则会有气相氮气液化减少分压至饱和蒸气压，-210℃下，氧气分压是1171.433pa，总压为12935.106+1171.433＝14706.539pa，气相中，氮气比例是12935.106/14706.539＝0.88，

表1

本申请第一转移管组件用于将制氧壳内顶部的气相物料搬运至制氮壳内，第二转移管组件用于将制氮壳内顶部的气相物料搬运至制氧壳内，本装置在初始时，先行将制氧制氮壳内空间的气体通过物料管抽走，然后也经由物料管往两个壳体内注入经过初步压缩的空气组分，注入两个壳体的是按空气组分分布的氮氧混合液体，然后关闭物料管开始氮氧分离过程：

初始注入完毕后，制氧壳和制氮壳内的氮氧比例是相同的，之后，改变两个壳体的温度，忽略壳体顶部杂质组分，氮氧分别以该温度下饱和蒸气压比例为组分比例分布，本申请就是利用这一比例差实现两个壳体内氮氧的转移，第一转移管组件将制氧壳内顶部的气相组分升压转移至制氮壳内，而第二转移管组件承接制氮壳内的高压气体以特定的压降泄放到制氧壳内，不断的气相组分搬运过程使得两个壳体内氮气不断地往制氮壳内转移，让氧气不断地往制氧壳内转移，达到氮氧分离作用，在这一过程中，并不需要精确保证温差不变，只需要保证两个壳体内存在较大的温差即可，因为，在-210～-160℃这一温度范围内，氮氧饱和蒸气压比例是不断减小的，氮气占比由0.88降低至0.728，所以，比例大小的相对关系不变，需要注意的是：在最终状态下，并不会实现完全的氮氧转移，考察末尾时候：制氧壳内氮组分极少，顶部空间大部分积累氧气组分，在这一周期的物料转移，是将较多的氧气组分转移往制氮壳，相应的，制氮壳内转移往制氧壳的组分大部分是氮气，所以，转移过程的末尾是两个壳体顶部空间数量的氮气氧气不断地来回转移，使用时，不需要额外地去设置浓度检测器，完全可以长时间运行第一转移管组件和第二转移管组件让转移充分进行，不用去理会顶部空间所停留的少量异物组分，最终的产物是，制氧壳内底部积攒液氧和顶部空间的氮氧混合物，而制氮壳内底部积攒液氮和顶部空间的氮氧混合物，此时，断开第一转移管组件和第二转移管组件，通过物料管分别导出制氧壳内所制备的液氧，导出制氮壳内制备的液氮，顶部空间剩余的气态组分转换为液态只有很小的比例，所以，制取的液氧和液氮纯度很高。

进一步的，第一转移管组件包括第一进料管、压缩机和第一出料管，压缩机设置在制氧壳和制氮壳之间，第一进料管一端伸入制氧壳内顶部，一端连接压缩机进口，第一出料管一端连接压缩机出口，一端伸入制氮壳内底部。压缩机抽取制氧壳内的气相组分增压输送往制氮壳内，第一出料管端部伸入的是制氮壳的底部液相物料。

第二转移管组件包括回流管和调压阀，回流管一端连接制氧壳内底部，另一端连接至制氮壳顶部，回流管上设置调压阀。调压阀调整降压幅度，保证制氮壳内的高压气相往制氧壳内的转移平稳进行

制氧壳和制氮壳内表面设有温度传感器，调压阀为自动调压阀，调压阀与温度传感器电信号连接；制氧壳和制氮壳之间还设有制冷循环，制冷循环与温度传感器电信号连接；温度传感器检测获得制氧壳和制氮壳温差减小时，调压阀流阻调低。由于两个壳体的工作温度不同，所以，物料在转移过程中，势必会伴随热量转移，将系统整体考虑，还有压缩机的能量输入，所以，制氧壳和制氮壳的温度是逐渐靠近并平均值升高，温差减小意味着单周期转移分离的氮氧量减少，分离时间增长，在最终等温下，无法实现分离，所以，需要通过制冷循环确保两个壳体的温差大于一定的数值，启动制冷循环将两个壳体内物料的温差重新拉大，相应的，两个壳体内温差缩小时，壳体顶部的总压也会缩小，需要调配调压阀流阻匹配压降。

进一步的，第一转移管组件还包括浮球，第一进料管在制氧壳内的末端外表安装浮球，浮球托举浮起第一进料管的末端使其竖直朝上靠近制氧壳内表顶面，第一进料管自浮球至第一进料管穿过制氧壳壁面的管段为浸入制氧壳内的液相物料内。本结构略微减小由制氧壳往制氮壳内物料转移带走的热量，原理是，制氧壳顶部的气相是由液相蒸发获得，蒸发吸收大量热量，所以，制氧壳顶部气相以及紧邻的液面温度相比于液相底部的温度是要低的，将抽取的较低温气相经由第一进料管浸入下部液相内，下部液相的热量也能转移一部分到第一进料管中，即，将制氧壳内物料的“冷量”尽可能保留在制氧壳内，以此减小制冷循环的工作频率与负荷。

进一步的，制氧制氮机还包括第一电极板和第二电极板，第一电极板设置在制氧壳内表顶面，第二电极板设置在制氮壳内表顶面，第一电极板板面上堆积负电荷，第二电极板板面上堆积正电荷。本结构用于改变氧气的饱和蒸汽压，前文的氧气的饱和蒸气压是在无电荷情况下的数据，而从分子层面考虑，饱和蒸气压是由于液面附近分子的活跃程度、脱离液面的难易程度决定的，如图所示，第一电极板堆积的负电荷散入制氧壳内顶部气相区域，氮氧分子中，氧气分子与电子的结合能力大大高于氮气分子，所以，氧气分子会粘附电子形成负氧离子，第一电极板表面带有的负电荷排斥负氧离子，使得制氧壳内顶部气相区域的氧气分子更加靠近液面而远离制氧壳内表顶面，液面附近富集的氧气分子阻碍了下方液态物料中的氧分子蒸发，可以简述为，制氧壳内液氧蒸发更难了，从而，制氧壳内顶部气相中，氮气组分比例升高，第一进料管末端的进料口抽吸更多的氮气组分通往制氮壳，制氧壳内的氧组分被更多地保留了下来，对应的，如图所示，考察制氮壳顶部的情况：少量占有电子的负氧离子更容易被吸引到回流管进口，液面附近的氧浓度降低，制氮壳内液相中的氧组分更容易蒸发出来被排往制氧壳，从而，两个电极板改变了氧气的饱和蒸气压，拉大了相同温差下，氮氧浓度比例，增大了单周期所能转移分离的氮氧量。

制氧壳和制氮壳外表设有保温层。保温层减小壳体内物料温度变化。

制氧壳和制氮壳底部分别设置活塞，活塞用于改变制氧壳和制氮壳内的容积。活塞改造壳体的容积，也方便挤出制备好的液氧与液氮。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过两个壳体分别创造液氮与液氧的制取空间，通过两条管路分别让两个壳体中的气相进行转移，转移的过程通过压缩机和调压阀匹配两个环境下的压力，因为两个壳体内温度不同，所以，气相内氮氧组分比例不同，由此引发制氧壳内的液态的氮不断蒸发出来并转移到制氮壳内，而制氮壳内的氧组分不断蒸发转移到制氧壳内，制氧壳内液相混合物中液氮越来越少而液氧越来越多，最终达到液氮与液氧分离的目的，纯度较高；第一进料管浸入制氧壳内的液相中，尽可能保留制氧壳内的冷量，减小保持两个壳体温差的制冷循环的工作频率与负荷；而第一电极板和第二电极板则改变了氧分子在不同温度下的饱和蒸气压，具体的，制氧壳内的第一电极板上堆积的负电荷让制氧壳内液相中的氧分子更难以蒸发出来被转移往制氮壳。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的氮氧转移结构简图；

图3是本发明带上制冷循环后的结构示意图；

图4是本发明的带上电极板后的结构示意图；

图5为图4中的视图a；

图6为图4中的视图b。

图中：11-制氧壳、12-制氮壳、19-活塞、21-物料管、31-第一转移管组件、311-第一进料管、312-压缩机、313-第一出料管、314-浮球、32-第二转移管组件、321-回流管、322-调压阀、41-第一电极板、42-第二电极板、5-制冷循环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，一种对称混合流动氧氮分离制取机，包括制氧壳11、制氮壳12、物料管2、第一转移管组件31和第二转移管组件32，制氧壳11和制氮壳12分别在各自的上表面设置对外连接的物料管2，物料管2上设置用于控制通断的阀门，第一转移管组件31构建制氧壳11往制氮壳12的物料流动方向，第二转移管组件32构建制氮壳12往制氧壳11的流动方向，制氧壳11内工作温度低于制氮壳12。

如图2所示，第一转移管组件31用于将制氧壳11内顶部的气相物料搬运至制氮壳12内，第二转移管组件32用于将制氮壳12内顶部的气相物料搬运至制氧壳11内，本装置在初始时，先行将制氧制氮壳内空间的气体通过物料管2抽走，然后也经由物料管2往两个壳体内注入经过初步压缩的空气组分，注入两个壳体的是按空气组分分布的氮氧混合液体，然后关闭物料管2开始氮氧分离过程：

初始注入完毕后，制氧壳11和制氮壳12内的氮氧比例是相同的，之后，改变两个壳体的温度，本申请之后以制氧壳11为-180℃、制氮壳12内-160℃进行分析，制氧壳11内-180℃下，氮气饱和蒸气压481200pa，氧气饱和蒸气压136979pa，制氧壳11内顶部的气相物质忽略杂质组分，氮氧以-180℃下饱和蒸气压比例为组分比例分布，含有77.8％的氮气，气相总压力为481200+136979＝618179pa，相应的，制氮壳12内-160℃下，顶部气相含有72.8％的氮气，气相总压力为2539829pa，本申请就是利用这一比例差实现两个壳体内氮氧的转移，第一转移管组件31将制氧壳11内顶部的气相组分升压转移至制氮壳12内，而第二转移管组件32承接制氮壳12内的高压气体以特定的压降泄放到制氧壳11内，单次周期搬运5％差异的氮气浓度，不断的气相组分搬运过程使得两个壳体内氮气不断地往制氮壳12内转移，让氧气不断地往制氧壳11内转移，达到氮氧分离作用，在这一过程中，并不需要精确保证制氧壳11内为-180℃，制氮壳12为-160℃，只需要保证两个壳体内存在较大的温差即可，因为，在-210～-160℃这一温度范围内，氮氧饱和蒸气压比例是不断减小的，氮气占比由0.88降低0.728，所以，比例大小的相对关系不变，需要注意的是：在最终状态下，并不会实现完全的氮氧转移，考察末尾时候：制氧壳11内氮组分极少，顶部空间大部分积累氧气组分，在这一周期的物料转移，是将较多的氧气组分转移往制氮壳12，相应的，制氮壳12内转移往制氧壳11的组分大部分是氮气，所以，转移过程的末尾是两个壳体顶部空间数量的氮气氧气不断地来回转移，使用时，不需要额外地去设置浓度检测器，完全可以长时间运行第一转移管组件31和第二转移管组件32让转移充分进行，不用去理会顶部空间所停留的少量异物组分，最终的产物是，制氧壳11内底部积攒液氧和顶部空间的氮氧混合物，而制氮壳12内底部积攒液氮和顶部空间的氮氧混合物，此时，断开第一转移管组件31和第二转移管组件32，通过物料管2分别导出制氧壳11内所制备的液氧，导出制氮壳12内制备的液氮，顶部空间剩余的气态组分转换为液态只有很小的比例，所以，制取的液氧和液氮纯度很高。

第一转移管组件31包括第一进料管311、压缩机312和第一出料管313，压缩机312设置在制氧壳11和制氮壳12之间，第一进料管311一端伸入制氧壳11内顶部，一端连接压缩机312进口，第一出料管313一端连接压缩机312出口，一端伸入制氮壳12内底部。压缩机312抽取制氧壳11内的气相组分增压输送往制氮壳12内，第一出料管313端部伸入的是制氮壳12的底部液相物料。

第二转移管组件32包括回流管321和调压阀322，回流管321一端连接制氧壳11内底部，另一端连接至制氮壳12顶部，回流管321上设置调压阀322。调压阀调整降压幅度，保证制氮壳12内的高压气相往制氧壳11内的转移平稳进行

制氧壳11和制氮壳12内表面设有温度传感器，调压阀322为自动调压阀，调压阀322与温度传感器电信号连接；制氧壳11和制氮壳12之间还设有制冷循环5，制冷循环5与温度传感器电信号连接；温度传感器检测获得制氧壳11和制氮壳12温差减小时，调压阀322流阻调低。由于两个壳体的工作温度不同，所以，物料在转移过程中，势必会伴随热量转移，将系统整体考虑，还有压缩机312的能量输入，所以，制氧壳11和制氮壳12的温度是逐渐靠近并平均值升高，温差减小意味着单周期转移分离的氮氧量减少，分离时间增长，在最终等温下，无法实现分离，所以，需要通过制冷循环5确保两个壳体的温差大于一定的数值，例如温度传感器识别两个壳体内物料温差缩减到10℃时，启动制冷循环5将两个壳体内物料的温差重新拉大，相应的，两个壳体内温差缩小时，壳体顶部的总压也会缩小，需要调配调压阀322流阻匹配压降。

第一转移管组件31还包括浮球314，第一进料管311在制氧壳11内的末端外表安装浮球314，浮球314托举浮起第一进料管311的末端使其竖直朝上靠近制氧壳11内表顶面，第一进料管311自浮球314至第一进料管311穿过制氧壳11壁面的管段为浸入制氧壳11内的液相物料内。

本结构略微减小由制氧壳11往制氮壳12内物料转移带走的热量，原理是，制氧壳11顶部的气相是由液相蒸发获得，蒸发吸收大量热量，所以，制氧壳11顶部气相以及紧邻的液面温度相比于液相底部的温度是要低的，将抽取的较低温气相经由第一进料管311浸入下部液相内，下部液相的热量也能转移一部分到第一进料管311中，即，将制氧壳11内物料的“冷量”尽可能保留在制氧壳11内，以此减小制冷循环5的工作频率与负荷。

制氧制氮机还包括第一电极板41和第二电极板42，第一电极板41设置在制氧壳11内表顶面，第二电极板42设置在制氮壳12内表顶面，第一电极板41板面上堆积负电荷，第二电极板42板面上堆积正电荷。本结构用于改变氧气的饱和蒸汽压，前文的氧气的饱和蒸气压是在无电荷情况下的数据，而从分子层面考虑，饱和蒸气压是由于液面附近分子的活跃程度、脱离液面的难易程度决定的，如图5所示，第一电极板41堆积的负电荷散入制氧壳11内顶部气相区域，氮氧分子中，氧气分子与电子的结合能力大大高于氮气分子，所以，氧气分子会粘附电子形成负氧离子，第一电极板41表面带有的负电荷排斥负氧离子，使得制氧壳11内顶部气相区域的氧气分子更加靠近液面而远离制氧壳11内表顶面，液面附近富集的氧气分子阻碍了下方液态物料中的氧分子蒸发，可以简述为，制氧壳11内液氧蒸发更难了，从而，制氧壳11内顶部气相中，氮气组分比例升高，第一进料管311末端的进料口抽吸更多的氮气组分通往制氮壳12，制氧壳11内的氧组分被更多地保留了下来，对应的，如图6所示，考察制氮壳12顶部的情况：少量占有电子的负氧离子更容易被吸引到回流管321进口，液面附近的氧浓度降低，制氮壳12内液相中的氧组分更容易蒸发出来被排往制氧壳，从而，两个电极板改变了氧气的饱和蒸气压，拉大了相同温差下，氮氧浓度比例，增大了单周期所能转移分离的氮氧量。

制氧壳11和制氮壳12外表设有保温层。保温层减小壳体内物料温度变化。

制氧壳11和制氮壳12底部分别设置活塞19，活塞19用于改变制氧壳11和制氮壳12内的容积。活塞19改造壳体的容积，也方便挤出制备好的液氧与液氮。

本发明的主要工作过程是：通过物料管2往制氧壳11和制氮壳12注入液态氮氧混合物，然后，关闭物料管2，拉动活塞19，让制氧壳11和制氮壳12内的上部空置出一个空间，温度传感器识别两个壳体温差低于10℃，制冷循环5启动，将制氧壳11内的热量转移往制氮壳12，让制氧壳11温度低于制氮壳12超过10℃以上，之后，第一转移管组件31和第二转移管组件32运行，不断搬运两个壳体内上部的气相，让制氧壳11内的氮组分不断转移往制氮壳12内，制氮壳12内的氧组分转移往制氧壳11，经历足够时间后，氮氧转移充分，断开第一转移管组件31和第二转移管组件32，通过物料管2分别排出制氮壳12内的液氮和制氧壳11内的液氧。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。