一种可调节式高梯度磁场富氧方法与流程

本发明属于高梯度磁场气体分子调控技术领域，特别是涉及一种可调节式高梯度磁场富氧方法。

背景技术：

自1847年法拉第发现气体运动的磁效应以来，人们对磁致气流行为进行了很多研究并且加以应用。朱重光基于顺逆磁性气体在梯度磁场中的不同磁行为讨论了横向非均匀磁场对氧气和氮气的分离作用，并提出了相应的磁分富氧装置，遗憾的是未进行实验验证。在国内，以前大多数气体磁分离的研究都集中在空气中氧氮的分离，近年出现的磁分富氧装置的专利大多还停留在构想阶段，所采用的方法也基本上是气体通道上施加一个梯度磁场，单纯依靠氮氧分子在梯度磁场中受到的相反磁力来改变它们的行进轨迹，从而实现氧氮的分离。但氧氮分子在梯度磁场中受到的磁力非常微弱，而且磁力把氧氮气体的行进轨迹分开以后，由于气体的湍流作用和分子的扩散作用导致氧氮的再次混合，利用梯度磁场从空气中富集氧气和氮气，首先就要解决避免气体的湍流作用和分子的扩散作用对磁分富氧集氮过程的影响的问题。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有国内磁分离装置稀缺问题，提供了一种可调节式高梯度磁场富氧方法。所述富氧方法能有效减小气体的湍流作用和分子的扩散作用对磁分富氧集氮过程的影响，从而得到氧浓度较高的气体。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种可调节式高梯度磁场富氧方法，将两块形状相同但充磁方向相反的磁铁相对放置，从侧面通入待分离气体，通过调节磁铁间距使空间磁场及其梯度乘积发生变化，从而调节气体分离结果；实现分离具体为：

由于氮氧分子磁化率的极大差异，导致氮氧分子处于不均匀磁场中受力不同而向相反方向分离；

一维情况下，分子所受磁力计算公式为：

其中，v为磁性粒子的体积；μ0为真空磁导率，其值近似于1；x为磁化率；h为磁场强度；为磁场梯度；

常温常压下，如果选用的磁场强度为0.3t，磁场梯度为3t/m时，经计算，有：氧分子所受重力为5.22×10^-25n；氧分子所受浮力为4.72×10^-25n；氧分子所受磁力为2.21×10^-21n；氮分子所受重力为4.56×10^-26n；氮分子所受浮力为4.89×10^-25n；氮分子所受磁力为-6.14×10^-24n；

氧分子所受重力﹑浮力仅仅为磁力的万分之几，可忽略不计；且氧分子所受磁力大约为氮分子所受磁力的250倍，方向相反；故在磁场条件下，氧分子被磁场所吸引，向磁场增强的方向聚集，趋于磁场附近而达到富集，同时氮分子被排斥，向磁场减弱的方向运动，最后通过压力差和热力差，形成空气流和磁风将氧氮分离，从而实现氧氮的磁化分离；

根据上述原理，对磁铁间距的调节，控制磁场及其梯度乘积的变化，即改变磁场空间内气体受力的大小，进而实现分离效果的调控。

进一步地，所述的形状相同但充磁方向相反的磁铁原材料为汝铁硼强力永磁材料。

进一步地，所述磁铁形状为梯台状。

进一步地，所述富氧方法实现分离气体后还包括对分离后的气体进行检测的步骤；所述分离气体后检测的具体操作为：

采用定点取样的方法对磁场空间内的氧浓度进行分析；采用间接测量方法分析所抽取气样的氧浓度，具体为：以99.99％的n2为背景气，分别注入相同体积的经磁场分离前后的气体，用氧含量分析仪测出混合气体内氧气含量改变量，然后计算原气体中氧含量改变量，计算公式为：

式中，δcl为原气体中氧气含量改变量；δcc为混合气体中氧气含量改变量；vb为背景气体的体积；vy为气样的体积。

本发明的优点：本发明通过梯度磁场分离聚集空气中的o2含量，可通过调节磁铁间距来调节分离结果。本发明所述的可调节式磁分富氧方法分离效果较好；造价便宜；操作较简便。

附图说明

图1是本发明所述的可调节式高梯度磁场富氧方法的磁铁磁极的一种分布形式；

图2是本发明所述的可调节式高梯度磁场富氧方法的分离时气流走向图；

图3是本发明所述的可调节式高梯度磁场富氧方法的分离结果图；

图4是本发明所述的可调节式高梯度磁场富氧方法的磁铁磁极的另一种分布形式。

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。

本发明提出一种可调节式高梯度磁场富氧方法，将两块形状相同但充磁方向相反的磁铁相对放置，从侧面通入待分离气体，通过调节磁铁间距使空间磁场及其梯度乘积发生变化，从而调节气体分离结果；实现分离具体为：

由于氮氧分子磁化率的极大差异(氧为顺磁性物质，常温常压下，其磁化率为107.8×10^-6；氮为抗磁性物质，常温常压下，其磁化率为-0.43×10^-6；两者间相差251倍)，导致氮氧分子处于不均匀磁场中受力不同而向相反方向分离；

一维情况下，分子所受磁力计算公式为：

其中，v为磁性粒子的体积；μ0为真空磁导率，其值近似于1；x为磁化率；h为磁场强度；为磁场梯度；

常温常压下，如果选用的磁场强度为0.3t，磁场梯度为3t/m时，经计算，有：氧分子所受重力为5.22×10^-25n；氧分子所受浮力为4.72×10^-25n；氧分子所受磁力为2.21×10^-21n；氮分子所受重力为4.56×10^-26n；氮分子所受浮力为4.89×10^-25n；氮分子所受磁力为-6.14×10^-24n；

氧分子所受重力﹑浮力仅仅为磁力的万分之几，可忽略不计；且氧分子所受磁力大约为氮分子所受磁力的250倍，方向相反；故在磁场条件下，氧分子被磁场所吸引，向磁场增强的方向聚集，趋于磁场附近而达到富集，同时氮分子被排斥，向磁场减弱的方向运动，最后通过压力差和热力差，形成空气流和磁风将氧氮分离，从而实现氧氮的磁化分离；

根据上述原理，对磁铁间距的调节，控制磁场及其梯度乘积的变化，即改变磁场空间内气体受力的大小，进而实现分离效果的调控。

结合图2和图3，室温下，压缩空气以适当速度(100ml/min左右)沿z轴方向进入磁场，空气中o2受到x轴正向的力的作用在x-z面上向x轴正向做抛物线运动，而n2受到x轴负向的力的作用在x-z面上向x轴负向做抛物线运动，其余气体将继续沿z轴前进。取样针筒容量为20ml，取样速率约为20ml/min，背景气体体积500ml。图3a)为磁体间距与氧增量关系曲线；图3b)为磁场及其梯度乘积与氧增量关系曲线；图3c)为磁场做功与氧增量关系曲线；图3d)为乘积及做功与平均氧增量三维曲线；图3e)为乘积及做功与最大氧增量三维曲线。

所述的形状相同但充磁方向相反的磁铁原材料为汝铁硼强力永磁材料。

所述磁铁形状设计影响磁场分布，磁铁形状影响磁场分布，尤其是磁铁厚度影响磁场大小。要设计梯度磁场，磁铁厚度也应该呈梯度变化。故磁铁形状为梯台状。如图1所示，为一种磁极分布方式，两块永磁体异极相对，两块磁体之间的间隙距离δ可以调节，其尺寸为：上底h1，下底h2，高度l，梯台厚度w，

l＝100mm，h1＝20mm，h2＝44mm，w＝54mm。如图4所示，为另一种磁极分布方式，两块永磁体异极相对，两块磁体之间的间隙距离δ可以调节，其尺寸为：上底l1，下底l2，高度h，梯台厚度w，h＝50mm，l1＝30mm，l2＝80mm，w＝100mm。所示磁铁形状可以为任意梯台形状，任意尺寸的磁体。

所述富氧方法实现分离气体后还包括对分离后的气体进行检测的步骤；所述分离气体后检测的具体操作为：

采用定点取样的方法对磁场空间内的氧浓度进行分析；由于氧浓度增量很小，为了保证测量精度以及分析氧浓度变化规律，采用间接测量方法分析所抽取气样的氧浓度，具体为：以99.99％的n2为背景气，分别注入相同体积的经磁场分离前后的气体，用氧含量分析仪测出混合气体内氧气含量改变量，然后计算原气体中氧含量改变量，计算公式为：

式中，δc1为原气体中氧气含量改变量；δcc为混合气体中氧气含量改变量；vb为背景气体的体积；vy为气样的体积。

以上对本发明所提供的一种可调节式高梯度磁场富氧方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。