【技术实现步骤摘要】
本技术涉及氮氧气体分离技术，特别涉及一种能减小阻力的结构优化的正压中空纤维膜制气组件。
技术介绍
1、不同规格的氧气、氮气在工业生产和科学技术发展中的作用，日益凸显。实际过程中，氧气和氮气产品的主要制取方法有：低温精馏分离法、变压吸附法、膜分离制气法，以及单独制氧的电解法。
2、低温精馏分离法是以自然界中的空气为原料，在低温下液化后在精馏塔中利用各组分沸点不同分离为氧气和氮气。其特点是占地面积大、基建费用较高，安装要求高、周期较长；设备复杂、一次性投资较多，产气慢、运行成本较高，宜于大规模工业制气。
3、变压吸附法(psa)是以空气为原料、以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法。该方法的问题主要有：空气压缩流程效率低下，大量有机能量被以热能的形式浪费；压缩完成后，在吸附制气阶段有占比相对较高的氧气和氮气在压缩状态下被吸附及再生释放，进一步大量浪费的压缩能；无法做到氧气和氮气的同时制取，制气效率整体受限。
4、膜分离制气法是利用一定压力条件下的高分子中空纤维膜对氮气和氧气具有不同渗透速率将空气进行分离。该方法的缺陷是：副产气体无法有效回用、成品气的品质难以控制；尤其是含湿量问题解决的难度，因其压力取值限制而激增。
5、电解法制氧耗电量过大，很不经济，不适用于大量制氧。
6、从调节性、方便性、安全性和单位气体综合能耗的角度出发，对于同时具有压缩空气和富气需求的用户(富氧、富氮)以及多变的用需求和生产工况，正压中空膜制气工
7、对于正压中空膜制气产品，管理部门针对产品及制备工艺提出相应要求，并制定了系列的标准予以规范。例如，通用标准包括《膜分离技术术语》(gb/t20103—2006)和《膜组件及装置型号命名》(gb/t20502—2006)。其中gb/t20103—2006标准界定了膜分离领域包括电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤、气体分离膜及离子交换膜的常用术语，对膜分离
的221条术语进行了定义，适用于膜与膜材料、膜组件、液体分离、气体分离及其他膜分离过程。gb/t20502—2006标准规定了膜组件及装置型号的命名规则，适用于反渗透、纳滤、超滤、微滤、气体分离膜、电渗析及电去离子装置。
8、但即便如此，现有的正压中空膜制气产品及工艺仍存在技术弊端，主要问题表现在如下两个方面：
9、(1)传统制气组件的结构如图1、3所示，该设备的核心为中空纤维膜分离段，采用多组长径比较大的中空纤维并行设计。分离段整体的几何结构特征表现为，膜管长度远大于膜组横断面半径的长条状。由于各并行中空膜纤维管的管径很小(通常小于毫米级别)，导致膜分离段整体流通阻力偏高，分离过程氮侧阻力损失偏高的问题。实验数据表明，这种传统式的制气组件，氮气侧阻力损失整体在0.1-0.15mpa的取值。这个大阻力特征，必然限制氮气无法作为仪表气顺利回流；抑或作为psa的预处理段阻力偏高。从而为了实现回流或者推进后续psa纯化系统运行，必须提升原料压缩空气的压力，从而导致系统运行能耗偏高。这是传统制气组件无法避免的第一个天生缺陷性问题。与之相伴，对已给定设计工况的气体流程系统而言，留给制气组件作为驱动力的压降往往有限，且工况多变，如何在给定的压降条件下，合理选型制气组件也是制气组件优化必须解决的问题。另外，结合数字化和智慧化管控的大趋势，如何在复杂工况下，实现膜组建运行的可视化监测和管控，也是必须解决的问题。
10、(2)分离过程气流组织亟待优化，由于传统两种方式制气组件在进入膜分离段和离开膜分离段的流动区域，由于组件本身几何构造对应的流动边界条件的限制，这两种制气组件都具有明显的二次流问题。与之相应，制气组件运行必然存在进出口局部阻力大，且入口压力和出口压力难以稳定控制的问题，从而导致制气组件制气过程失去稳定性的问题。
11、对于两种形式的制气组件，原料压缩空气，从制气组件进口管段流入，经过对应的进口段后，进入中空纤维膜组分离段。这两种形式的制气组件，在膜分离段的特性上基本是一致的；另外，这两种形式的制气组件，对应的氧气出口段特性也基本相同。其主要差别在于各自对应的进口稳流段和出口稳流段的几何特征上。这两种传统的制气组件，由于进出口段几何边界形状的局限，存在各自不同的二次流问题(如图2、4所示)；对应的局部阻力损失增加的同时，容易造成气体短流，或者说并行分布的中空膜纤维管就会出现流动分布不均匀的问题，造成膜材料分离特性难以充分利用的缺陷，分离效率也必然受到影响。这两种制气组件进口稳流段是不同之处在于，球状端盖膜组进口段的突变性低于平面端盖，但这两种形式的进口段由于管路相对较大的变化，都存在着局部回流形成的旋涡，这必然导致膜组进口截面上压力取值存在相应的波动，不利于产气的稳定性。另外，出口段几何特征对应的二次流动特征也导致出口压力稳定性和阻力损失提升的问题。
12、基于以上原因，目前在使用正压中空制气组件制气的实际应用过程中，为了确保副产氮气回流，制气原料压缩空气侧压力须要比其它压缩空气高出0.1mpa-0.15mpa，导致原料压缩空气的能耗相对较高。
13、因此，为提升膜制气的应用能力，需要提出具有低阻力特征的高效制气组件的新方案。
技术实现思路
1、本技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种能减小阻力的结构优化的正压中空纤维膜制气组件。
2、为解决技术问题，本技术的解决方案是：
3、提供一种能减小阻力的结构优化的正压中空纤维膜制气组件，包括装设于中空管身内的膜管分离段，以及设于管身两端的端盖；在进口侧端盖上设有空气入口，在出口侧端盖上设有氮气出口，在管身侧壁上设有氧气出口；
4、所述制气组件中，按下述公式(1)和(2)确定膜管分离段的截面直径d和长度l：
5、d＝((k/k)/δε)1/4·d(1)
6、l＝(q空气/(π·d2/4))·t0(2)
7、所述制气组件中，端盖形状为中部相对内收的三次方程曲线，并按下述公式(3)和(4)确定进口侧端盖的曲面段直径dj和出口侧端盖的曲面段直径dc：
8、dj＝d1+a×x1+b×x12+c×x13(3)
9、dc＝d3+m×x2+n×x22+q×x23(4)
10、以上各式中：k为该制气组件的阻力损失系数，k本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种能减小阻力的结构优化的正压中空纤维膜制气组件，包括装设于中空管身内的膜管分离段，以及设于管身两端的端盖；其特征在于，
2.根据权利要求1所述的正压中空纤维膜制气组件，其特征在于，在进口侧端盖上设有空气入口。
3.根据权利要求1所述的正压中空纤维膜制气组件，其特征在于，在出口侧端盖上设有氮气出口。
4.根据权利要求1所述的正压中空纤维膜制气组件，其特征在于，在管身侧壁上设有氧气出口。
5.根据权利要求1所述的正压中空纤维膜制气组件，其特征在于，所述制气组件的端盖形状，是中部相对内收的维托辛斯基曲线。
6.根据权利要求1所述的正压中空纤维膜制气组件，其特征在于，所述制气组件的端盖形状，是中部相对内收的拉瓦尔喷管曲线。
7.根据权利要求1所述的正压中空纤维膜制气组件，其特征在于，所述制气组件的端盖形状，是中部相对内收的双三次曲线。
【技术特征摘要】
1.一种能减小阻力的结构优化的正压中空纤维膜制气组件，包括装设于中空管身内的膜管分离段，以及设于管身两端的端盖；其特征在于，
2.根据权利要求1所述的正压中空纤维膜制气组件，其特征在于，在进口侧端盖上设有空气入口。
3.根据权利要求1所述的正压中空纤维膜制气组件，其特征在于，在出口侧端盖上设有氮气出口。
4.根据权利要求1所述的正压中空纤维膜制气组件，其特征在于，在管身...
【专利技术属性】
技术研发人员：王小华，沈天昱，吴平，曾璆，潘德茂，沈新荣，
申请(专利权)人：杭州哲达科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：
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