包士然，張金輝，張小斌，唐 媛，張瑞平，邱利民

（浙江大學 制冷與低溫研究所，浙江 杭州310027）

工業(yè)氣體是現(xiàn)代工業(yè)的“血液”，其應用遍及鋼鐵、冶金、化工、造船、汽車、醫(yī)藥、食品、電子、石油、航空航天等諸多重要領(lǐng)域.隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)氣體的需求激增.據(jù)美國空氣產(chǎn)品公司［1］預計可知：截至2015年全球工業(yè)氣體市場預計年增長9%，規(guī)模達到960億美元；亞洲預計年增長14%，而中國的增長將高達19%.然而，工業(yè)氣體生產(chǎn)中的高能耗、高成本問題已成為制約工業(yè)氣體行業(yè)乃至相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的突出瓶頸.

工業(yè)氣體大都來自空氣分離，其中氧、氮、氬的需求量最大.空氣分離方法主要有低溫精餾法、變壓吸附法、薄膜分離法、化學吸收法等［2］.低溫精餾法的歷史悠久，技術(shù)成熟，產(chǎn)品純度高、成本低，特別適合大規(guī)模生產(chǎn)［3］.目前，低溫空氣分離設(shè)備的單套制氧能力已超過120 000Nm3／h.隨著氧氣用途的拓展，在一定范圍和使用條件下，變壓吸附法和薄膜分離法已成為低溫法空氣分離的強勁對手，但在生產(chǎn)能力、產(chǎn)品種類、氣體純度、單位成本等方面，與低溫法相比有較大差距.在能耗很大的空分工業(yè)中，能量成本占了空氣產(chǎn)品價格的很大比重，能源危機的加深，對工業(yè)氣體生產(chǎn)過程中的能量利用效率提出了更高的要求.在這樣的形勢下，尋找便捷、可靠的技術(shù)手段以進一步提高空氣分離過程的能量利用效率、降低能耗變得十分迫切［4］.

磁性是物質(zhì)的普遍屬性，水、細胞、蛋白質(zhì)、溶解氧、鹽溶液等弱磁性物質(zhì)在高梯度磁場中會呈現(xiàn)出特殊的流動和傳質(zhì)現(xiàn)象［5-6］.弱磁性氣體具有與上述物質(zhì)類似的磁行為，F(xiàn)araday［7］首次發(fā)現(xiàn)了氣體流動的磁效應，Ueno等［8-9］對這種磁效應的發(fā)生機理和作用規(guī)律進行了研究，這些研究成果主要應用在促進呼吸、控制燃燒、控制對流換熱、空氣分離等場合.其中，磁致空氣分離是近些年來興起的一種新型空氣分離方法，它利用氧氮氣體的磁化率差異實現(xiàn)分離，與傳統(tǒng)分離方法相比有許多獨特的優(yōu)點，在低純度、小流量富氧領(lǐng)域有著廣闊的應用前景.

1 弱磁性氣體的磁現(xiàn)象

弱磁性氣體的磁性一般用磁化率衡量，常見氣體的質(zhì)量磁化率如表1所示.表中，質(zhì)量磁化率由文獻［10］的數(shù)據(jù)換算得到.

氧氣分子中存在2個未成對的自旋平行的單電子，在磁場中能夠順著磁場方向產(chǎn)生磁矩，因此，氧氣具有順磁性，并且其正磁化率是常見氣體中最大的（標準狀態(tài)下，氧氣的磁化率絕對值約為氮氣的252倍），磁化率隨氣體溫度的升高而降低，遵從居里定律［11］：

式中：χm 為質(zhì)量磁化率，C 為居里常數(shù)，T 為氣體的熱力學溫度.

相反地，氮氣是逆磁性氣體，磁化率較低且為負值，磁化率基本不隨溫度的變化而改變.

由于磁化率的巨大差異，氧氮分子在非均勻磁場中將受到方向相反的磁化力作用，進而形成不同的分子擴散行為.這種磁擴散現(xiàn)象是磁致空氣分離的基礎(chǔ).在梯度磁場中，具有固有磁矩的分子單位質(zhì)量受力為

表1 常見氣體的質(zhì)量磁化率（溫度為285～300K）Tab.1 Mass susceptibility of common gases（temperature range：285-300K）

式中：F 為單位質(zhì)量分子所受到的沿磁場梯度方向的磁化力，μ0 為真空磁導率，B 為磁感應強度.

2 梯度磁場作用下的空氣分離

2.1 磁致空氣分離的可行性探討

在梯度磁場作用下，空氣中的單一組分將同時受到多種力的作用，包括弱磁性帶來的磁化力、組分濃度差帶來的化學勢驅(qū)動力、分子之間的摩擦力、重力等，而最終順磁性組分的體積分數(shù)分布實際上取決于磁化力的作用程度［12］.Asako、Nakano等研究者從理論模擬和實驗兩方面開展了驗證工作.

Asako等［13］將磁化力作用引入到直接蒙特卡羅（DSMC）方法分子模擬中，從微觀分子運動的直接物理規(guī)律出發(fā)，獲得了宏觀氣體混合物的統(tǒng)計特性.對于二維平行板流道的模擬結(jié)果顯示富集現(xiàn)象在高磁場強度、梯度，低壓力和低克努森數(shù)的情況下更容易發(fā)生，這一結(jié)果初步揭示了一些磁化力的作用規(guī)律，但是Asako等［13］沒有對于普遍應用于稀薄氣體模擬的DSMC 方法在磁致空氣分離領(lǐng)域的適用性作更多的探討和實驗，因此模擬結(jié)果中的定量部分有待驗證.通過在擴散模型中添加定向磁場力，包士然等［14］利用計算流體力學（CFD）方法從更宏觀的尺度上驗證了分子模擬結(jié)果的定性結(jié)論，二維平行板流道的物理模型見圖1，該模型對應的氧氣體積分數(shù)分布見圖2.

圖1 梯度磁場下的二維平板流道物理模型［14］Fig.1 Physical model of two-dimensional parallel-plate duct under gradient magnetic field

圖2 氧氣體積分數(shù)分布的CFD分析結(jié)果［14］Fig.2 CFD analysis result of volume fraction distribution of oxygen

在近臨界氧氮混合物中，氧氮分子聚集形成分子簇，其中的氧分子簇受到較大的磁化力作用.根據(jù)這一原理，Nakano等［15］利用如圖3 所示的全息干涉系統(tǒng)測量低溫視窗部分的密度分布，借助干涉條紋定性研究了高梯度磁場條件下近臨界氧氮混合物的體積分數(shù)分布.壓力為4.35 MPa時的干涉條紋如圖4所示.實驗結(jié)果表明，在磁頭周圍的梯度磁場區(qū)域內(nèi)存在密度梯度，即氧氣會在磁頭周圍的區(qū)域內(nèi)富集，初步驗證了在臨界點氣液兩相區(qū)域內(nèi)進行磁致空氣分離的可行性.

以上研究都證明了常規(guī)磁場條件可以使氧氣組分發(fā)生明顯的濃度偏移，即利用非均勻磁場從空氣中富集氧氣的方案是可行的，而磁力對于氧氣富集的作用規(guī)律以及裝置設(shè)計方法需要進一步的研究.

圖3 激光全息干涉測量系統(tǒng)簡圖［15］Fig.3 Schematic of laser holography interferometer system

圖4 4.35 MPa壓力下超臨界空氣干涉條紋［15］Fig.4 Images of infinite interferogram obtained in supercritical air（under 4.35 MPa）

2.2 磁致空氣分離方案

根據(jù)磁場作用于空氣方式的不同，當前磁致空氣分離裝置主要分為3 種類型［16］，分別是間歇式產(chǎn)出富氧空氣的吸附富集法、梯度磁場區(qū)域覆蓋流道一側(cè)的軌跡偏轉(zhuǎn)法和在耗氧機構(gòu)入口處添加梯度磁場的磁環(huán)法，典型結(jié)構(gòu)及主要優(yōu)缺點如表2所示.

2.2.1 吸附富集法 根據(jù)弱磁性氣體在磁場中的受力情況，具有高磁場梯度的導磁介質(zhì)具有吸附順磁性氣體的特性，類似于催化、脫色、脫臭、防毒、提純等工業(yè)應用中的吸附過程，可以通過周期性的吸附和脫附間歇制取富氧空氣.

1984年，Ohara等［17］以磁性金屬絲作為導磁介質(zhì)密集布置在金屬容器內(nèi)，通過容器外的超導磁體使金屬絲磁化.金屬絲的高磁導率使得磁感線向金屬絲內(nèi)部偏移，從而在金屬絲表面附近形成很高的磁場梯度.高梯度磁分離器常用的磁性金屬絲內(nèi)外磁感線分布如圖5所示，具有順磁性的氧分子被吸附在金屬絲表面.通過該實驗裝置，金屬容器內(nèi)的氧氣體積分數(shù)最大增加了0.4%.這是磁致空氣分離方法的可行性首次被實驗驗證，但是由于當時測量手段、實驗裝置容積的限制，沒有實現(xiàn)富氧空氣的連續(xù)有效產(chǎn)出.在該裝置中，入流空氣具有增加空氣供給量（增加氧氣純度）和通過流動黏滯力帶走容器內(nèi)富氧空氣（降低氧氣純度）的雙重作用，Ohara認為存在一個最佳的入口流速范圍使得容器內(nèi)的氧氣體積分數(shù)最大化.

圖5 磁性金屬絲內(nèi)外的磁感線分布Fig.5 Magnetic induction line distribution inside and outside a magnet wire

表2 磁致空氣分離裝置的典型結(jié)構(gòu)及主要特點Tab.2 Main structures and features of magnetic air separation units

為了連續(xù)獲得富氧空氣，張弛等［18］提出利用2個填充有磁性金屬絲的容器交替進行吸附和解析的實驗方案，流程如圖6所示.這一方案初步解決了吸附富集法無法連續(xù)獲得富氧產(chǎn)品的難題，但實際富氧程度和能耗產(chǎn)率有待詳細的研究.

吸附富集法的裝置簡單、可靠性高，但是由于氣體比容很大、受到的磁化力相比于黏性力很小，在進口氣體的沖刷下，實際上只有很少量的氧氣被穩(wěn)定吸附在磁性細絲周圍.

圖6 交替式吸附的氧氮磁分離裝置［18］Fig.6 Alternative magnetic absorption device to separate air continuously

2.2.2 軌跡偏轉(zhuǎn)法 帶有磁性的分子在梯度磁場中會發(fā)生軌跡偏轉(zhuǎn)，即宏觀上混合物發(fā)生濃度偏移.軌跡偏轉(zhuǎn)法富氧裝置的特征在于磁感應強度梯度方向與流動方向垂直，而在流道末端通過束流裝置分別導出富氧空氣和氧純度較低的廢氣，這種裝置中的梯度磁場通常由磁體或?qū)Т沤橘|(zhì)的尖銳邊緣或者窄縫營造.

目前已有許多關(guān)于軌跡偏轉(zhuǎn)法富氧的專利公開，但很少有實際投入使用的裝置和相應的實驗數(shù)據(jù).王喜魁等［19-21］提出一系列軌跡偏轉(zhuǎn)法富氧裝置，并定性分析了這種富氧裝置的特點和應用前景.王立等［16］提出如圖7所示的一種“磁篩”式富氧結(jié)構(gòu)，利用兩塊永磁體組成的平板流道邊緣梯度磁場對氧氣組分的攔截作用來實現(xiàn)富氧，磁感線分布如圖8所示.該結(jié)構(gòu)通過在流道全程側(cè)流排出富氮氣體，避免了氣體的再混合，在實驗工況下單級磁篩的最大氧氣體積分數(shù)增量為0.65%，而采用多通道層疊的裝置為1.02%［22］.

圖7 “磁篩”式富氧結(jié)構(gòu)［23-27］Fig.7 ‘Magnetic sieve’structure for oxygen enrichment

圖8 “磁篩”周圍磁感線分布Fig.8 Magnetic induction line distribution around‘magnetic sieve’

軌跡偏轉(zhuǎn)法具有可連續(xù)處理空氣的特點，相比于吸附富集法可以有效地提高運行效率；由于氣體在垂直于速度方向發(fā)生濃度擴散，不會存在來流氣體對于富氧空氣的沖刷問題，需要合理設(shè)計裝置流道以使流道內(nèi)的氣體盡量保持層流狀態(tài)，防止因湍流引起的再混合；該類型的裝置一般具有窄縫或引流磁性細絲等特征，為了滿足大流量生產(chǎn)的要求，不能單純地將裝置簡單幾何放大，一般可以通過裝置的并聯(lián)實現(xiàn).

2.2.3 磁環(huán)法 低純度富氧空氣在富氧燃燒、醫(yī)療用氧等場合中具有廣泛的應用前景.為了簡便、高效地獲得富氧空氣，周斌［28］將如圖9所示的可以產(chǎn)生梯度磁場的磁環(huán)裝在內(nèi)燃機等耗氧裝置的入口處，由于存在流動方向上漸強的磁感應強度，磁環(huán)對于氧氣具有引流的作用，可以降低油耗和尾氣中的有害氣體體積分數(shù)［29］.

磁環(huán)法的裝置結(jié)構(gòu)簡單，通過如圖10所示的簡單陣列布置可以滿足大流量的應用場合；磁環(huán)法的局限性主要體現(xiàn)在富氧純度很低，而且這種裝置的富氧效果與流速關(guān)系密切，周斌的理論計算和實驗結(jié)果表明在不同的進氣流速下，內(nèi)燃機油耗降低了1.7%～3.5%［28］；冉振亞［29］在實驗中證明了對于加裝磁環(huán)富氧的發(fā)動機，尾氣中CO、HC、NOx污染物的體積分數(shù)明顯下降.

圖9 磁環(huán)富氧結(jié)構(gòu)［30］Fig.9 Magnetic ring structure for oxygen enrichment

圖10 添加了磁環(huán)陣列的空氣濾清器［30］Fig.10 Magnetic rings inserted in air filter

至今已報道的專利和文獻中大部分磁致富氧裝置都可以歸類于吸附富集法、軌跡偏轉(zhuǎn)法或磁環(huán)法，而通過換用不同類型的導磁介質(zhì)、改變流道和進出口結(jié)構(gòu)、不同方法之間的組合、級聯(lián)形成了形態(tài)、特點各異的裝置，其中有一些針對于呼吸保健、燃料電池等應用場合的具有特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)備［31-34］.

2.3 利用磁性介質(zhì)輔助分離

通過上述磁分離裝置可以便捷地獲得較低純度的富氧空氣，然而單純依靠磁致分離顯然無法滿足如石化、冶金等眾多工業(yè)場合對于高純度氧氣的需求.為了拓寬磁致空氣分離的潛在應用領(lǐng)域，研究者們將磁性介質(zhì)引入膜分離、低溫精餾等常規(guī)分離方法中，實現(xiàn)了更高純度、更低能耗的耦合分離.

2.3.1 通過添加磁性微粒輔助膜分離 利用聚合物薄膜對氧氣和氮氣的選擇透過性可以進行空氣膜分離.對于非極性氣體混合物，該分離過程很大程度上依賴于分子大小的差異.對于大小相似的氧氣和氮氣分子，通過使用高分子膜可以實現(xiàn)有限的選擇透過性，從而獲得體積分數(shù)為25%～40%的富氧空氣.開發(fā)滲透通量、選擇性較大的新型膜材料，進一步提高氧氣體積分數(shù)和分離效率，已成為氧氮膜分離領(lǐng)域的研究重點.

Rybak等［35-42］將磁分離與膜分離相結(jié)合，在氧氮選擇性透過膜中加入銣、Fe2O3和Fe3O4等導磁介質(zhì)顆粒，超順磁性聚合物中的導磁微粒在磁場作用下被磁化并按磁力線排列，加強了外部磁場的作用.這些微粒作為磁性元件吸引了氧，從而提高了氧氮選擇性及氧的滲透率.研究者們進一步使用圖11所示的測試裝置研究了磁性顆粒種類、直徑和填充度對分離效果的影響，對于3種磁性薄膜的測試結(jié)果見圖12.使用加入1.8g粒徑20～32μm 的磁性鐠微粒的薄膜，可以獲得體積分數(shù)接近63%的富氧空氣，而通過不添加磁性顆粒的薄膜獲得的氧氣體積分數(shù)僅為56%［42］.實驗結(jié)果充分證明了內(nèi)含磁性微粒的薄膜具有更強的分離能力，有望廣泛應用于中高純度需氧的工業(yè)場合.

圖11 磁性薄膜分離效果的實驗測量裝置［41-42］Fig.11 Experimental setup to measure separation effect of magnetic membranes

圖12 磁性微粒添加率對氧氣體積分數(shù)影響的測量結(jié)果［41-42］Fig.12 Dependence of oxygen content vs.content of added magnetic powder

在質(zhì)子交換膜燃料電池和鋅空電池的陰極，促進氧的傳質(zhì)可以改善電池的放電性能，這是磁性薄膜富氧的一個潛在應用領(lǐng)域.史繼誠等［43-45］根據(jù)原位聚合法在釹鐵硼磁粉表面包覆聚苯胺保護層，測試了磁性微粒（Nd2Fe14B／PANI）對氧傳質(zhì)和鋅空電池放電性能的影響.試驗結(jié)果表明，在一定的負載密度下，添加磁化顆粒后的極化電流提高了1.19倍.

2.3.2 利用外磁場下的多孔超導材料實現(xiàn)“膜”分離 利用常規(guī)永磁體或線圈只能實現(xiàn)有限的磁場梯度，而利用特殊制造工藝制成的具有多孔特征的超導材料克服了這一難題.根據(jù)Meissner效應可知，當該超導材料與磁體相互靠近時，超導體表面電流形成的磁場在超導體內(nèi)部徹底抵消了外加磁場，從而在該多孔材料的孔內(nèi)形成如圖13所示的高梯度磁場.混合氣體通過這一材料時將受到不同大小和方向的磁化作用，形成類似于膜分離的選擇透過性.

Sawai等［46］使用孔徑為10μm 的填料進行分離氧氣和氬氣的實驗，如圖14所示.在工況穩(wěn)定后，從初始氧氣體積分數(shù)為50%的混合氣體中提取出了純度為61%的富氧，從初始體積分數(shù)為90%的混合氣體中提取出了體積分數(shù)接近100%的氧氣.該實驗證明了利用超導材料進行的磁分離具有分離氧氬的潛力，而通常工業(yè)純氬的制取只能通過設(shè)備龐大的低溫精餾裝置.

圖13 多孔超導介質(zhì)周圍的磁感線分布［46］Fig.13 Magnetic induction line distribution around porous superconducting medium

圖14 多孔超導介質(zhì)顯微圖像［46］Fig.14 Scanning electron micrograph of porous superconducting medium

Ciesla等［46-50］對這種多孔超導材料在空氣分離領(lǐng)域的應用價值進行了討論，由于超導體所需的低溫環(huán)境一般已經(jīng)使氧氮氣體發(fā)生了部分冷凝，而且超導體對內(nèi)部氣體的作用機理十分復雜，這種分離方式尚未得到推廣應用.

2.3.3 通過梯度磁場輔助低溫精餾分離 低溫精餾是目前最廣泛應用且唯一具備生產(chǎn)稀有氣體能力的空氣分離方法.近年來，相關(guān)論文報道了多種非常規(guī)精餾及間歇精餾新過程，顯示出與有關(guān)領(lǐng)域結(jié)合從而提高精餾過程的效能和應用范圍的趨勢［51］.低溫下氧氣的磁化率將大幅提高，磁致分離的作用將顯著提升（空氣液化溫度下單個氧分子受到的磁化力增加了約3.6倍），低溫精餾裝置中原有的低溫環(huán)境也為超導材料的應用提供了便利.磁致分離與傳統(tǒng)低溫精餾的相互結(jié)合，成為空氣分離的潛在發(fā)展方向.邱利民等［52］提出利用梯度磁場輔助精餾分離的方法和裝置，如圖15所示，對梯度磁場下低溫混合液體中的氧體積分數(shù)分布及流動狀態(tài)進行了模擬分析.該裝置在傳統(tǒng)精餾分離裝置的液體區(qū)域中增加了高梯度磁介質(zhì)，從而使精餾過程中的液體內(nèi)部發(fā)生濃度分層，使得氧氣更容易凝結(jié)在磁場強度更高的液相底部，而液體表層中液氮更容易被上升的蒸氣帶走，還可以有針對性地利用磁場改善精餾塔中傳熱傳質(zhì)的薄弱區(qū)域.利用該裝置有望進一步地降低精餾系統(tǒng)能耗、提高分離效率.目前對于梯度磁場輔助低溫精餾分離依然停留在理論研究階段，尚缺乏定量的實驗數(shù)據(jù).

圖15 磁場輔助低溫精餾裝置［52］Fig.15 Magnetic induced cryogenic distillation device

3 關(guān)鍵技術(shù)及存在的主要問題

傳統(tǒng)空氣分離技術(shù)是利用氣體的沸點差異進行的深低溫精餾.以上所述的各種磁致空氣分離方法與傳統(tǒng)方法相比，在關(guān)鍵技術(shù)和主要須解決的問題方面具有諸多的特殊性.

3.1 磁致空氣分離關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 高梯度磁場的獲得 由具有固有磁矩的分子在梯度磁場中的受力公式可知，對于一定物理性質(zhì)的氣體分子，增大磁感應強度及梯度都可以增強磁場的作用效果.在實際情況下，增大磁場強度將受到永磁材料性能或電磁鐵電流強度的約束，因此增強磁場的作用效果往往通過增大磁感應強度梯度的方法來實現(xiàn)，即營造適合進行空氣分離的高梯度磁場.

對于早已實現(xiàn)工業(yè)應用的高梯度磁分離裝置，高梯度磁場主要通過在工作空間內(nèi)添加特殊導磁介質(zhì)來實現(xiàn)，各種磁介質(zhì)或磁選機能夠產(chǎn)生的平均磁場梯度如表3 所示.最常用的介質(zhì)是100μm 的不銹鋼毛，這種鋼毛可以使磁力線的疏密程度發(fā)生較大變化，從而形成高梯度磁場［53］.

為了獲得最優(yōu)的磁致分離效果，須選用合理的導磁介質(zhì)，如更細、強度更高的鋼毛；對于小型磁致空氣分離裝置，可以通過磁極之間的窄縫及磁體的銳利邊緣來營造高梯度磁場，雖然這種磁場的梯度與添加了不銹鋼毛的磁場相差了幾個數(shù)量級，但是因其磁感應強度的變化比較單調(diào)可控，特別適用于要求氣體分子發(fā)生定向偏轉(zhuǎn)的軌跡偏轉(zhuǎn)法.

表3 各種磁介質(zhì)或磁選機的平均磁場梯度［54］Tab.3 Average magnetic field gradient of various magnetic media or separator

近些年來，超導技術(shù)發(fā)展迅速，在磁致空氣分離中應用超導材料可望大幅度地提高磁感應強度及其梯度，進而改善分離效果.此外，利用超導磁體的磁分離裝置能夠在大體積下產(chǎn)生均勻磁場，所以供磁分離用的空間更大，處理量也更大.

3.1.2 空氣流道的布置及流動控制 與傳統(tǒng)磁分離裝置固態(tài)或固液混合的原料相比，空氣具有良好的流動性和可壓縮性，若受到方向與宏觀流動方向交叉的磁化力，則很容易在宏觀上發(fā)展為渦旋，形成磁熱對流.利用磁熱對流現(xiàn)象可以增強對流換熱效果，但是對于空氣分離過程，這種渦旋帶來了濃度偏移方向的不確定性，很容易造成氣體的再混合.

合理的流道布置及流動控制是避免氣體再混合的常用手段.在一般情況下，使用直流道的效果優(yōu)于彎流道，流道沿程及時排出氧氣體積分數(shù)較低的廢氣有助于提高最大富氧程度；布置在梯度磁場區(qū)域的磁性細絲可以形成局部梯度磁場，增強軌跡偏轉(zhuǎn)法的作用效果；增加合理的進出口引流裝置可以增強流動穩(wěn)定性.對于具體的裝置，選用何種流道布置取決于其運行工況，總的設(shè)計原則是使流體盡量保持層流流動狀態(tài)［21］.

3.1.3 工質(zhì)磁性的強化 氧氣是磁化率最大的順磁性氣體，但是相比于磁導率更大的鐵磁性材料，氧氣的磁性十分微弱，這是迄今為止磁致空氣分離技術(shù)的分離效果不顯著、實際應用較少的最主要原因.決定富氧效果的最直接因素是磁化力的大小，可以通過一些手段放大工質(zhì)磁性的作用，從而使磁化力最大、富氧效果最優(yōu).

選擇更低的操作溫度，低溫下磁化率大幅提高，且常見的永磁體具有負的溫度系數(shù)，溫度越低磁場越強，因此低溫可以明顯地提升氣體磁分離效果.選用合適的操作壓力，壓力對于氣體磁分離效果的影響具有雙重性，一方面低壓下分子平均自由程增大，分子間的作用力減弱，有利于磁分離作用，另一方面低壓必然會帶來單位空間、時間氣體處理量下降，因此應權(quán)衡考慮選取合適的壓力工況［16］.

3.2 磁致空氣分離技術(shù)存在的主要問題

1）富集效果有限.目前已有報道的單級磁致空氣分離裝置的氧氣體積分數(shù)增量均在1%以下，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，無法在富集程度上與低溫精餾法、變壓吸附法等相比，有限的富集效果使磁分離方法的應用范圍局限于低純度場合.目前，各種空氣分離技術(shù)的主要應用范圍如表4所示.

2）規(guī)?；南拗?現(xiàn)有報道的磁致空氣分離設(shè)備都屬于小型裝置，而工業(yè)需氧場合所需流量一般都很大，因此研究單位時間處理量更大的磁致空氣分離裝置具有現(xiàn)實意義.磁分離裝置具有諸多特殊性，首先，梯度磁場的獲得需要具有微結(jié)構(gòu)的磁介質(zhì)；其次，對于氣體工質(zhì)，若裝置尺度過大，則很容易出現(xiàn)渦流等復雜流動行為，進而造成氣體的再混合；大尺寸的裝置必然帶來更長的平衡時間，因此磁分離裝置的大型化不能依靠簡單的裝置尺度放大.

相反地，磁分離裝置的結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便、原料空氣純凈度要求低等特點帶來了裝置串并聯(lián)的多種可能性.通過流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和進行流道串并聯(lián)可以在一定程度上提高裝置的空氣處理能力.

3）與其他方法的耦合機制尚未明確.吸附富集法、磁環(huán)法不能連續(xù)工作，氧氣的富集效果不佳；軌跡偏轉(zhuǎn)法由于氣體湍流和擴散作用會使氧分子偏轉(zhuǎn)，對裝置和氣體流道的設(shè)計要求極高，獲得的富氧體積分數(shù)較低.顯然，現(xiàn)階段單純依靠梯度磁場的作用，在室溫條件下實現(xiàn)空氣高純度分離并不現(xiàn)實.

磁致空氣分離與低溫精餾方法、膜分離方法的聯(lián)合作用，彌補了磁分離富氧純度低的缺陷，可望大幅提高分離效率.由于起步較晚，目前這種聯(lián)合作用還主要處于學術(shù)探討階段，現(xiàn)有研究所報道的數(shù)據(jù)僅初步證實了其顯著的分離效果，對于不同方法的耦合機制尚未明確，需要更加詳細的理論研究和進一步的裝置優(yōu)化.

4 結(jié) 語

磁致空氣分離方法與傳統(tǒng)分離方法相比具有如下特點［16］：1）富氧程度較低，氧氣體積分數(shù)的增加量一般不超過2%；2）裝置簡單，壽命長，投資小，操作方便；3）可以使用永磁體構(gòu)造梯度磁場，因此與傳統(tǒng)方法相比能耗很低；4）空氣預處理簡單，可以直接使用常溫常壓的環(huán)境空氣，無需加壓或液化；5）可以隨產(chǎn)隨用，方便靈活，不受客觀條件的限制，很容易嵌入到耗氧裝置中.

基于磁致分離方法的空氣分離裝置有望為富氧燃燒、輔助呼吸等低純度應用領(lǐng)域提供低廉、便捷的富氧產(chǎn)品.然而，相關(guān)的理論模型和裝置設(shè)計手段都尚未成熟，這些裝置仍然很少投入實際工業(yè)應用.為了實現(xiàn)更廣泛的應用，應當以如何實現(xiàn)更高純度、更大規(guī)模的分離為研究重點，可以采取的研究手段有優(yōu)化梯度磁場結(jié)構(gòu)、合理布置流道和氣流引出裝置、選擇合適的工況使磁力作用最大化等.

磁致空氣分離技術(shù)原理簡單、裝置靈活多樣的特點使得該方法更容易與膜分離、低溫精餾分離等其他方法相耦合，從而綜合各種分離方法的優(yōu)點，大幅提高空氣分離效率、降低能耗.這種耦合作用是近年來磁致空分領(lǐng)域的一個研究熱點，其作用效果已經(jīng)被眾多實驗結(jié)果所證實，有望在不遠的將來得到推廣應用.

表4 幾種空氣分離方法的特點和應用范圍［55-56］Tab.4 Characteristics and applications of air separation methods

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