一种多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置

本发明属于稀有气体回收，具体涉及一种多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置。

背景技术：

1、稀有气体又称惰性气体，是一类化学性质极不活泼的元素群体。它们性质相似，主要是氦(he)、氖(ne)、氩(ar)、氪(kr)和氙(xe)，不仅是日常生活中气球和霓虹灯的填充气，还是医疗、芯片、半导体工业和基础科学研究中不可或缺的原材料。然而，稀有气体的来源是有限的，目前he主要通过对富氦天然气进行分离获得，而通过空气液化也可得到少量he与ne以及o2与ar、xe的混合物，而这些利用气体沸点不同进行深冷分离的商业化生产方式需要大量能源消耗。相比于传统深冷分离提取，膜技术因具有高效、低耗和环保等优异性能且不需要通过低温冷凝相变后再分离，因此在稀有气体分离提取领域上具有较好的应用和发展前景。其中气体分离膜的工作原理是利用差压，根据气体混合物中不同的渗透速率选择性地分离组分。根据膜的结构不同，可分为多孔膜和致密膜。气体分子在多孔膜内的扩散主要受其孔隙大小的支配，其扩散方式大致可分为三种:非选择性对流扩散、knudsen扩散和分子筛分。然而，当膜由多孔向致密转变时，膜内气体分子的迁移伴随着压力控制的扩散过程，经历了一个复杂的溶液扩散过程。因此，如何保证稀有气体的高回收率和高纯度，仍是个难题。

2、针对上述难题，需要明确膜技术的关键因素：主要是膜材料的选择与后处理如何影响气体分离与纯化的效果，即气体输运分离过程中气体的吸附与扩散机理。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，以解决稀有气体的高回收率和高纯度问题。

2、本发明多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其包括干燥管、气体纯化分离单元，其中干燥管包括管体，管体一端开有进气口，管体内放置有干燥剂；气体纯化分离单元包括壳体，壳体内设置有一个以上的纯化分离层，纯化分离层从上到下依次由螺线管层、分离膜、吸附层、螺线管层组成，壳体底部一侧开有进气口，进气口与干燥管管体另一端连通，壳体内由纯化分离层分隔的腔室上开有气体出口，壳体内设置有阻燃层，螺线管层与电源连接。

3、所述壳体顶部设置有密封的顶盖，顶盖底部边缘设置有卡块，与壳体顶部卡槽紧密配合；壳体壁与纯化分离层组合成一个可拆卸的膜插件，膜插件上端开有卡槽，底端设置有卡块，膜插件可以根据需要设置多个使用。

4、所述顶盖与壳体连接处还设置有一个以上的弹簧鸭嘴扣。

5、所述吸附层、分离膜设置在聚四氟乙烯支撑架中，壳体内侧壁上设置有与聚四氟乙烯支撑架匹配的卡槽，聚四氟乙烯支撑架能在壳体内滑动，聚四氟乙烯支撑架由把手、密封固定条、夹板组成，2个网状夹板平行固定在密封固定条右端上，密封固定条左端上固定有把手，密封固定条上设置有密封橡胶圈，用于和壳体上开口紧密配合，密封固定条与壳体结合处设置有多个弹簧鸭嘴扣，网状夹板上孔的孔径为25~50mm。

6、所述干燥剂为碱石灰，干燥管内顶部和底部设置有多个上下交替排布的挡板。

7、所述吸附层为天然分子筛、活性氧化铝、活性炭中的一种或几种。

8、所述螺线管网层通电电压为直流电压5~25v，提供电场、磁场和温度场，螺线管层由若干个平行排布相互连接的螺线管组成，螺线管内设置有圆柱形铁铝合金块。

9、所述分离膜为氟化聚酰亚胺膜，将10-15重量份的三氟甲基二氨基联苯与70-75重量份的间甲酚在氮气气氛下混合，搅拌混匀后，缓慢加入15-20重量份的六氟二酐，室温下搅拌均匀，然后在100℃油浴状态下加入0.1重量份异喹啉搅拌0.5-1h，然后升温至180℃继续搅拌4h，冷却至室温，将聚合物溶液缓慢倒入过量的无水乙醇中，连续搅拌，形成细丝沉淀，收集沉淀物，使用无水乙醇浸泡洗涤多次后，在200℃真空下干燥12h，将干燥物溶解在n-甲基吡咯烷酮中搅拌混匀后，经0.45μm滤头过滤和消泡后，在玻璃板上成膜，干燥制得氟化聚酰亚胺膜。

10、本发明的有益成果在于：

11、本发明多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，通过采用膜加电场、磁场以及温控场的共同作用下实现了对稀有气体的高效回收与纯化，且该装置具有结构与操作简单，材料易于更换，经济效益高等优点；

12、本发明装置通过将多物理场膜组件在该装置上进行多个堆叠对回收废气进行处理可以实现稀有气体的超高纯度的回收，且在回收过程中可以产生其他附加值，即回收高纯度的非稀有气体。

技术特征：

1.一种多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其特征在于：包括干燥管、气体纯化分离单元，其中干燥管（1）包括管体，管体一端开有进气口ⅰ（3），管体内放置有干燥剂（4）；气体纯化分离单元（2）包括壳体，壳体内设置有一个以上的纯化分离层（5），纯化分离层从上到下依次由螺线管层（7）、分离膜（9）、吸附层（8）、螺线管层组成，壳体底部一侧开有进气口ⅱ，进气口ⅱ与干燥管管体另一端连通，壳体内由纯化分离层（5）分隔出的腔室上开有气体出口（6），壳体内设置有阻燃层（10），螺线管层（7）与电源连接。

2.根据权利要求1所述的多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其特征在于：壳体顶部设置有可拆卸的顶盖（11），顶盖底部边缘设置有卡块，与壳体顶部卡槽（13）紧密配合；壳体壁与纯化分离层组合成一个可拆卸的膜插件，膜插件上端开有卡槽，底端设置有卡块。

3.根据权利要求2所述的多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其特征在于：顶盖与壳体连接处还设置有一个以上的弹簧鸭嘴扣（14）。

4.根据权利要求1所述的多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其特征在于：吸附层（8）、分离膜（9）设置在聚四氟乙烯支撑架中，壳体内侧壁上设置有与聚四氟乙烯支撑架匹配的滑槽，聚四氟乙烯支撑架能在滑槽内滑动，聚四氟乙烯支撑架由把手（15）、密封固定条（16）、夹板（17）组成，2个网状夹板平行固定在密封固定条右端上，密封固定条左端上固定有把手，密封固定条上设置有密封橡胶圈（12），用于和壳体上开口紧密配合，密封固定条与壳体结合处设置有多个弹簧鸭嘴扣，网状夹板上孔的孔径为25~50mm。

5.根据权利要求1所述的多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其特征在于：干燥剂为碱石灰，干燥管内顶部和底部设置有多个上下交替排布的挡板。

6.根据权利要求1所述的多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其特征在于：吸附层中填料为天然分子筛、活性氧化铝、活性炭中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其特征在于：螺线管网层通电电压为直流电压5~25v，提供电场、磁场和温度场，螺线管层由若干个平行排布相互连接的螺线管组成，螺线管内设置有圆柱形铁铝合金块。

8.根据权利要求1所述的多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其特征在于：分离膜为氟化聚酰亚胺膜，将10-15重量份的三氟甲基二氨基联苯与70-75重量份的间甲酚在氮气气氛下混合，搅拌混匀后，缓慢加入15-20重量份的六氟二酐，室温下搅拌均匀，然后在100℃油浴状态下加入0.1重量份异喹啉搅拌0.5-1h，然后升温至180℃继续搅拌4h，冷却至室温，将聚合物溶液缓慢倒入过量的无水乙醇中，连续搅拌，形成细丝沉淀，收集沉淀物，使用无水乙醇浸泡洗涤多次后，在200℃真空下干燥12h，将干燥物溶解在n-甲基吡咯烷酮中搅拌混匀后，经0.45μm滤头过滤和消泡后，在玻璃板上成膜，干燥制得氟化聚酰亚胺膜。

技术总结本发明公开了一种多物理场强化膜分离富集稀有气体的装置，其包括干燥管、气体纯化分离单元，其中干燥管包括管体，管体一端开有进气口，管体内放置有干燥剂；气体纯化分离单元包括壳体，壳体内设置有一个以上的纯化分离层，壳体底部一侧开有进气口，进气口与干燥管管体另一端连通，壳体内由纯化分离层分隔的腔室上开有气体出口，壳体内设置有阻燃层，螺线管层与电源连接；本发明装置采用膜加电场、磁场以及温控场的共同作用下实现了对稀有气体与非稀有气体的高效回收与纯化，且设置多个带有纯化分离层的膜插件可以实现稀有气体的超高纯度的回收；该装置具有结构与操作简单，材料易于更换，经济效益高等优点。技术研发人员：瞿广飞,袁正,赵晨阳,刘国军,罗臻,李志顺成受保护的技术使用者：昆明理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27