摘" 要： 以雙相陶瓷膜制氧為研究基礎(chǔ)，敘述了雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)的關(guān)鍵材料及結(jié)構(gòu)，并搭建了系統(tǒng)的三維模型，采用了有限元分析方法對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了壓力和熱分析。仿真結(jié)果表明：在0.5 MPa（絕壓）壓力和900 ℃溫度下陶瓷膜制氧系統(tǒng)內(nèi)殼體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對(duì)雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)研究證明了氧分壓驅(qū)動(dòng)的雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)的可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 陶瓷膜；雙相陶瓷膜；制氧系統(tǒng)；壓力驅(qū)動(dòng)；熱分析

中圖分類號(hào)： TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" 文章編號(hào)： 2096-3998（2024）02-0018-07

收稿日期：2023-07-07" 修回日期：2023-09-13

基金項(xiàng)目：安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2021A0635）

*通信作者：蔣東升（1975—），男，安徽懷寧人，博士，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載纖維膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵特性研究。

引用格式： 蔣東升，黃鳳珍，李輝，等.雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真分析.陜西理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，40（2）：18-24.

氧氣作為重要的化工原料之一，在污水處理、有色金屬冶煉、富氧助燃、醫(yī)療和軍事等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如何低成本地從空氣中分離制備高純度氧氣對(duì)整個(gè)用氧工業(yè)有著重要的意義［1-3］?，F(xiàn)有的空氣分離制氧技術(shù)以變壓吸附法制氧技術(shù)和富氧膜制氧技術(shù)為主［4］。變壓吸附法制氧是利用分子篩物理吸附、解析循環(huán)制氧，制出氣體氧濃度最高不超過(guò)95％。但在實(shí)際應(yīng)用中生產(chǎn)氣閥易損壞，分子篩發(fā)霉需定期更換，空壓機(jī)零件損壞需更換維修，維護(hù)成本極高。富氧膜制氧是通過(guò)真空泵在富氧膜一側(cè)形成一定壓力的真空環(huán)境，從而制得較高氧含量的富氧空氣（氧含量高于20.9％以上的空氣）［5-7］。然而該富氧膜制氧技術(shù)存在制氧濃度低（約60％）、使用壽命短等問(wèn)題［8］。而陶瓷膜制氧技術(shù)作為一種新型制氧技術(shù)，與變壓吸附法制氧技術(shù)和富氧膜制氧技術(shù)相比較，陶瓷膜制氧技術(shù)有4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①制氧濃度可高達(dá)99%（因?yàn)樘沾赡ぶ挥醒蹼x子才能通過(guò)）；②陶瓷膜固有的核、生物和化學(xué)能力（因?yàn)樘沾赡び泻軓?qiáng)的選擇透過(guò)性，且陶瓷膜的工作溫度可達(dá)600～900 ℃）；③陶瓷膜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件；④陶瓷膜材料對(duì)水蒸氣不敏感，不需要地面支撐，具有很好的應(yīng)用前景［9］。

目前，國(guó)內(nèi)很多高校、研究所對(duì)陶瓷膜制氧技術(shù)也已經(jīng)展開(kāi)了研究，張廣君［10］對(duì)雙相混合導(dǎo)體陶瓷透氧膜的組成材料及制備膜的方法進(jìn)行了研究，探討一種雙相混合導(dǎo)體陶瓷透氧膜材料的透氧性能有望用于從空氣中分離制備純氧。馮冰［11］研究了溫度和壓力/真空度等操作條件對(duì)中空纖維透氧膜組件空分制氧性能的影響，結(jié)果表明采用高溫進(jìn)料、提高滲透?jìng)?cè)真空度可顯著提高制氧速率及氧氣回收率，而提高進(jìn)料側(cè)壓力對(duì)提高制氧速率有限。因陶瓷膜制氧需在高溫高壓條件下進(jìn)行，且由于膜材料的不同，電壓驅(qū)動(dòng)的單相陶瓷制氧系統(tǒng)需要外加電壓，使其結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，給研究帶來(lái)諸多問(wèn)題。

本文從雙相陶瓷膜材料的研究出發(fā)，對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)的雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)建模，通過(guò)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件（膜組件外殼）的壓力和熱分析仿真，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗(yàn)證雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可行性和可靠性，為陶瓷膜制氧技術(shù)的應(yīng)用提供支撐。

1" 陶瓷膜制氧技術(shù)工作原理

陶瓷膜制氧的機(jī)理遵循歐姆定律、阿雷尼厄斯方程和能斯特方程，屬于電化學(xué)分離。在高溫的作用下，陶瓷膜充當(dāng)高效過(guò)濾器，只允許氧離子通過(guò)，即使空氣中含有污染物或毒氣，也會(huì)產(chǎn)出很純的氧氣。

本文研究的陶瓷膜制氧技術(shù)原理見(jiàn)圖1。固體氧化物電解質(zhì)在600 ℃以上，當(dāng)膜兩側(cè)存在電位差時(shí)，氧分子會(huì)吸附在陰極一側(cè)的膜表面并離解成氧離子，氧離子通過(guò)膜遷移到陽(yáng)極側(cè)，并重新結(jié)合成氧分子，整個(gè)過(guò)程中的電荷補(bǔ)償是通過(guò)外電路中電子的反向遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在氧氣滲透過(guò)程中，氧氣不是以氧分子的形式轉(zhuǎn)移，而是通過(guò)氧離子轉(zhuǎn)移，在其兩側(cè)分別設(shè)置多孔導(dǎo)電陶瓷制成的陰極和陽(yáng)極，就構(gòu)成了“電解槽”，從而進(jìn)行氧化還原過(guò)程，在陽(yáng)極析出氧氣［12］。這種電解質(zhì)只允許氧離子通過(guò)，制成的氧氣純度極高。生成氧氣的壓力取決于電解質(zhì)膜的強(qiáng)度和空氣室與氧氣室之間的壓力差。

2" 雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)工作原理

目前應(yīng)用于陶瓷膜制氧技術(shù)的陶瓷材料主要分為兩大類：電壓驅(qū)動(dòng)的單相傳導(dǎo)膜材料和壓力驅(qū)動(dòng)的離子-電子雙相傳導(dǎo)膜材料。由于采用陶瓷材料的種類不同，其工作原理存在差異。因此，陶瓷膜制氧技術(shù)可以分為電壓驅(qū)動(dòng)的單相陶瓷膜制氧技術(shù)和壓力驅(qū)動(dòng)的雙相陶瓷膜制氧技術(shù)。因陶瓷膜制氧需在高溫高壓條件下進(jìn)行，電壓驅(qū)動(dòng)的單相陶瓷膜制氧系統(tǒng)需要外加電壓，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而壓力驅(qū)動(dòng)的雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)只需要在入口通入一定壓力的氣源空氣，通過(guò)氧分壓便可以進(jìn)行制氧過(guò)程。相比之下，壓力驅(qū)動(dòng)的雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

壓力驅(qū)動(dòng)的雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)原理如圖2所示。其中氧離子-電子混合雙相傳導(dǎo)鈣鈦礦型致密透氧陶瓷膜在高溫850 ℃以上呈現(xiàn)出很強(qiáng)的氧離子和電子的傳導(dǎo)性，通過(guò)與氧離子反方向的電子傳導(dǎo)和采用氧分壓梯度為氧氣的傳輸提供驅(qū)動(dòng)力［13］。這種

膜在高溫下呈現(xiàn)出很強(qiáng)的氧離子和電子的傳導(dǎo)性。當(dāng)膜的兩邊存在氧分壓差時(shí)，氧分子會(huì)在高氧分壓端吸附在膜表面并解離成氧離子，氧離子在膜體相遷移到低氧分壓端并重新結(jié)合成氧分子，電子和氧離子在膜內(nèi)反向傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)氧氣從高氧分壓側(cè)到低氧分壓側(cè)的運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)從空氣中直接分離出氧氣的目的。

膜兩側(cè)氧分壓差與膜滲透通量之間的關(guān)系為

JO2=-R0T16F2L∫lnP″O2lnP′O2σelσionσel+σiondlnP′O2P″O2，（1）

式中，R0為摩爾氣體常數(shù)（8.314 5 J/（mol·K）），T為絕對(duì)溫度（K），F(xiàn)為法拉第常數(shù)（96 485 C/mol），L為膜厚度（cm），σel為膜材料的電子電導(dǎo)率，σion為膜材料的氧離子電導(dǎo)率，P′O2為膜的高氧分壓側(cè)（PH）的氣體氧分壓，P″O2為膜的低氧分壓側(cè)（PL）的氣體氧分壓。

公式（1）反應(yīng)了雙相陶瓷膜的滲透通量跟膜工作溫度、膜的厚度、膜材料的氧離子和電子導(dǎo)電率以及膜兩側(cè)的氣體氧分壓之間關(guān)系，計(jì)算膜的滲透面積S（cm2），其公式為

S=πＬ（D0-Di）ln（D0／Di），（2）

式中，D0為管狀膜的外徑（cm），Di為管狀膜的內(nèi)徑（cm），L為管狀膜的長(zhǎng)度（cm）。通過(guò)測(cè)試膜的滲透量與滲透面積之比值為管狀膜在一定條件下的膜的滲透通量。

考慮陶瓷膜材料自身的溫度特性，需將系統(tǒng)的溫度加熱到陶瓷膜工作的溫度T2，壓力不變條件下，其需要加熱的理想功率p的計(jì)算公式為

p=m（k1+k2）R0k1+k2-2（T2-T1），（3）

式中，m為需加熱的空氣質(zhì)量（kg/s），k1為其空氣的比熱容，k1=1.393 J/（kg·℃），k2是在壓力為0.5 MPa（絕壓）、溫度為T2時(shí)的空氣的比熱容，T1為起始加熱的溫度（180 ℃），T2為加熱后的溫度（℃）。

3" 雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)模型搭建

壓力驅(qū)動(dòng)的雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)根據(jù)陶瓷膜制氧系統(tǒng)原理搭建而成，其系統(tǒng)由柱型外殼體、反應(yīng)可加熱弧、柱型內(nèi)殼體、膜組件、隔板等五部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)采用的陶瓷膜需要在高溫高壓條件下進(jìn)，因此在搭建系統(tǒng)時(shí)需要對(duì)其陶瓷膜進(jìn)行特別的選擇、制備和封裝，并且還要對(duì)系統(tǒng)中殼體材料進(jìn)行選擇，最后根據(jù)選擇搭建出混合雙相傳導(dǎo)陶瓷膜制氧系統(tǒng)。

3.1" 陶瓷膜結(jié)構(gòu)

3.1.1" 陶瓷膜材料的選擇

陶瓷是由多種金屬氧化物組成。其中，氧化鋯是陶瓷應(yīng)用較普遍的材料，在氧化鋯中摻入微量的氧化釔，當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃以上時(shí)，其晶格結(jié)構(gòu)中存在著氧空位，陶瓷的導(dǎo)電性隨著空數(shù)的增加而增加，空位數(shù)越多，其產(chǎn)氧量越大。

本系統(tǒng)搭建選用大連化物所開(kāi)發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3（BSCF）材料，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的透氧膜材料具有較高的電子傳導(dǎo)率和氧離子電導(dǎo)率，是理想的氧分壓驅(qū)動(dòng)的透氧膜材料，分離在含Ba材料表面的BaO和BaO，通過(guò)BaO，的形成和分解參與了氧活化過(guò)程，與傳統(tǒng)的過(guò)氧化物和惰性金電極中引入鋇氧化物相比，催化活性提高了數(shù)十倍［14-19］。

3.1.2" 陶瓷膜的制備

將Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3（BSCF）材料制成毛細(xì)管狀膜，尺寸為2.5 mm×0.5 mm×500 mm。先采用固相反應(yīng)法合成出BSCF粉體，然后用球磨機(jī)將粉體研磨至粒

徑小于2微米。將獲得的BSCF細(xì)粉與一定量的塑性劑、粘結(jié)劑、溶劑通過(guò)練泥機(jī)均勻混合、排氣后采用塑性擠壓成型的方法制出生坯，然后再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)成致密膜。將燒結(jié)成型的膜管再經(jīng)激光切割成所需的長(zhǎng)度，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1.3" 膜組件結(jié)構(gòu)及封裝

與其他式樣的膜組件相比，管式膜組件使用壽命長(zhǎng)，膜不易破裂，機(jī)械強(qiáng)度大，拆卸和膜的更換及維修均比較方便［20-21］。管式膜組件是把膜和支撐體均制成管狀，使二者組合，或者將膜直接刮制在支撐管的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，將數(shù)根膜管（直徑10～20 mm）組裝在一起就構(gòu)成了管式膜組件，與列管式換熱器相類似。若膜刮在支撐管內(nèi)側(cè)，則為內(nèi)壓型，原料在管內(nèi)流動(dòng)；若膜刮在支撐管外側(cè)，則為外壓型，原料在管外流動(dòng)。管式膜組件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、操作方便，流動(dòng)狀態(tài)好，

但裝填密度較小，約為33～330 m2/m3，見(jiàn)圖5。選用BSCF管狀薄膜具有0.5 mm（內(nèi)徑為1.5 mm；外徑為2.5 mm）且長(zhǎng)為500 mm，BSCF管狀薄膜被垂直放置，一端開(kāi)口、另一端用環(huán)氧樹(shù)脂密封劑密封，如圖6所示。

3.2" 殼體結(jié)構(gòu)

3.2.1" 殼體材料的選擇

在雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，殼體要求結(jié)構(gòu)尺寸合理，且具備高強(qiáng)度及耐高溫性能，故擬選用鎳基高溫合金作為殼體材料，滿足工況要求。其主要元素含量見(jiàn)表1，主要物理性能見(jiàn)表2。鎳基高溫合金800H的基體金屬是鎳，鎳含量大于35％，由于鎳含量的提高，故鎳基高溫合金比鐵基高溫合金的熱強(qiáng)性高，最高工作溫度已達(dá)到1 050 ℃左右，其耐高溫性能允許系統(tǒng)在高溫下穩(wěn)定運(yùn)行，而其耐腐蝕性能使其能夠承受氧氣生產(chǎn)過(guò)程中的高氧氣濃度。

3.2.2" 殼體材料焊接性能

由于高溫鎳基合金800H具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，能夠滿足系統(tǒng)

的工作條件，而其熱膨脹系數(shù)與陶瓷膜相匹配，有助于減輕熱應(yīng)力。在焊接性能方面，材料焊接性能良好，我們選擇了適當(dāng)?shù)暮附臃椒?，如TIG焊或MIG焊，以確保高溫鎳基合金的焊接接頭具有良好的質(zhì)量和強(qiáng)度。此外，我們使用與高溫鎳基合金相兼容的焊接材料，如焊條和焊絲，且零件焊接后通常進(jìn)行退火處理以消除內(nèi)應(yīng)力。

3.2.3" 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，殼體是由鎳基高溫合金

800H制成的金屬容器，容器的外徑為300 mm，長(zhǎng)為800 mm，以確保其滿足雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)的空間和操作需求。在制造過(guò)程中，我們考慮了熱處理，以減輕焊接引入的殘余應(yīng)力，提高殼體的穩(wěn)定性，具體的殼體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.3" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型搭建

雙相陶瓷制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中：BSCF管狀膜組件是垂直安裝在鎳基高溫合金800H制成的金屬壓力容器（容器外徑為300 mm，長(zhǎng)為800 mm）內(nèi)底部膜支架上，管狀膜和分應(yīng)器壁之間的間隙為8 mm。在金屬壓力容器的底側(cè)通入冷卻水給

密封區(qū)域以及流過(guò)的氣體降溫；高溫的反應(yīng)加熱弧為滲透的膜單元加熱，膜單元的溫度控制在±1℃范圍，壓縮空氣從外部的壓力調(diào)節(jié)器中引入，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)容器內(nèi)壓力，管狀膜上端口密封，下端安裝在膜支架上，發(fā)生反應(yīng)后的純氧聚集在氧氣端口并從氧氣端口出去，氧氣端口接到一個(gè)無(wú)油的真空泵上，經(jīng)過(guò)真空泵抽取其純氧中的油等雜質(zhì)。剩余的貧氧氣體從貧氧氣體端口流出，氣體流動(dòng)方向如圖8所示。

4" 雙相陶瓷制氧系統(tǒng)流體仿真

4.1" 殼體模型網(wǎng)格劃分

由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的正確性，我們?cè)趯?duì)內(nèi)殼體的仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該首先注重網(wǎng)格的劃分，主要部分是使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率得到很大的提高。

對(duì)于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點(diǎn)，在很多問(wèn)題中將會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果使用中間節(jié)點(diǎn)將會(huì)引起求解時(shí)間、收斂速度等方面的一系列問(wèn)題，因此研究使用多面體網(wǎng)格劃分。

多面體網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果估計(jì)計(jì)算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計(jì)算的一個(gè)循環(huán)過(guò)程。

對(duì)于許多結(jié)構(gòu)仿真實(shí)際問(wèn)題，在整個(gè)求解過(guò)程中，模型的某些區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進(jìn)行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)重劃分，劃分網(wǎng)格后的網(wǎng)格經(jīng)計(jì)算可得其具體參數(shù)見(jiàn)表3。

為了對(duì)殼體的內(nèi)部條件進(jìn)行設(shè)定，也是為方便內(nèi)部空氣流體的流通，劃分內(nèi)部流道體網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的網(wǎng)格經(jīng)計(jì)算可得其具體參數(shù)見(jiàn)表4。

4.2" 邊界條件添加

分子篩制氧、高分子膜制氮在分離出產(chǎn)品氣時(shí)刻，入口與出口是聯(lián)通狀態(tài)，不考慮流動(dòng)過(guò)程中壓力損失，入口、出口幾乎等壓。

而陶瓷制氧系統(tǒng)制氧過(guò)程中，入口與出口始終處在兩個(gè)相互獨(dú)立腔內(nèi)，分離發(fā)生在入口腔與出口腔之間膜材料兩側(cè)，膜材料內(nèi)是氧離子和電子傳輸過(guò)程，分離發(fā)生的條件是高溫和存在氧分壓梯度，也就意味著，入口腔與出口腔氧分壓梯度消失，分離過(guò)程即停止，從這個(gè)意義上說(shuō)：出口氧分壓最大極限值等于入口氧分壓，而空氣出口氧分壓為入口總壓的1/5，出口氧氣視為純氧，出口氧分壓等于出口總壓，這樣出口總壓等于入口總壓1/5。

入口與排氣口始終聯(lián)通，僅僅存在壓力損失、溫度損失，排氣口壓力、溫度略小于入口壓力、溫度。

主要參數(shù)歸納為：

a）裝置出口壓力近似等于入口壓力（0.5 MPa）的1/5；

b）系統(tǒng)的入口處溫度理論上達(dá)到900 ℃，即內(nèi)殼體的表面溫度為900 ℃，內(nèi)部陶瓷膜的工作環(huán)境溫度為900 ℃。

4.3" 仿真實(shí)驗(yàn)方案

系統(tǒng)空氣入口通入加壓處理后0.5 MPa的空氣，通過(guò)調(diào)控加熱反應(yīng)弧溫度使加熱腔內(nèi)氣體的工作溫度為900 ℃。

5" 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在雙相陶瓷制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)殼體壓力仿真和熱分析仿真的意義在于評(píng)估其性能和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，殼體壓力仿真和熱分析仿真對(duì)應(yīng)殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐高溫性能，是衡量雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要參數(shù)，以確保系統(tǒng)在高溫高壓工作條件下的安全性。在設(shè)置邊界條件后，以1 000次迭代次數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)殼體模型的受壓及所受熱量進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖9—圖11所示。

通過(guò)圖9可以得出：殼體模型的仿真最后呈現(xiàn)收斂，證明殼體結(jié)構(gòu)可行并且其氣體流通可實(shí)現(xiàn)。由圖10的殼體內(nèi)部氣體壓力變化可得，密閉容器內(nèi)部的壓力最后會(huì)趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，且壓力保持為0.5 MPa左右，這可以看出其密閉容器的抗壓能力，可以使內(nèi)部保持一個(gè)高壓狀態(tài)，與出口的低壓形成氧分壓梯度，從而有利于其制氧的順利，從側(cè)面說(shuō)明了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可行。由圖11的殼體表面溫度變化可以得出，殼體表面的溫度保持相對(duì)恒定，幾乎沒(méi)有明顯的變化?？梢钥闯鱿到y(tǒng)殼體在高溫條件下的穩(wěn)定性，這對(duì)于確保系統(tǒng)的可靠性和性能非常重要，殼體表面溫度的持續(xù)穩(wěn)定有有助于延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命并減少維護(hù)成本。

圖12是入口壓力0.5 MPa、900 ℃溫度下殼體工作變形云圖，圖12（a）表示在正常工作狀態(tài)下，只受到入口壓力的影響，而圖12（b）考慮了入口處溫度理論上達(dá)到900 ℃的情況?？梢缘贸觯瑲んw在正常工作狀態(tài)下除了入口處會(huì)因?yàn)閴毫Χl(fā)生形變，且形變發(fā)生在可接受范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在正常操作下表現(xiàn)出合理性和穩(wěn)定性，這對(duì)于系統(tǒng)的性能及可行性非常重要。因此在實(shí)際過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)注意其入口處壓力的變化情況，并且通入氣體時(shí)要先分析其入口受到的最大壓力值。

6" 總結(jié)

本文研究了雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)的關(guān)鍵材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)殼體模型的受壓及所受熱量進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)，得到了通過(guò)分析得到了入口壓力0.5 MPa、900 ℃溫度下殼體變形情況，分析得到以下結(jié)論：

（1）雙相陶瓷膜是雙相陶瓷膜制氧技術(shù)的關(guān)鍵，本文研究的雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)中選用了Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3（BSCF）材料為陶瓷膜材料，在對(duì)其膜組件結(jié)構(gòu)和封裝方式研究基礎(chǔ)上，選取了鎳基高溫合金800H作為系統(tǒng)殼體的材料，提出了一種管狀膜組件結(jié)構(gòu)。

（2）通過(guò)對(duì)雙相陶瓷膜制氧技術(shù)工作原理和工作方式的分析，對(duì)雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)進(jìn)行了三維模型搭建及有限元仿真。在0.5 MPa壓力以及900 ℃腔體工作溫度下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)并分析仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)得出：本文研究的雙相陶瓷膜制氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

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［責(zé)任編輯：張存鳳］

Structural simulation analysis of biphasic ceramic membrane oxygen generation system

JIANG Dongsheng，" HUANG Fengzhen，" LI Hui，" HU Shanshan

School of Mechanical and Electrical Engineering， Anhuijianzhu University， Hefei 230601， China

Abstract：" The paper takes biphasic ceramic membrane oxygen generation as the research basis， describes the key materials and structures of the biphasic ceramic membrane oxygen generation system， and builds a three-dimensional model of the system， and adopts the finite element analysis method to analyze the pressure and heat of the structural parts of the system.The results show that the inner shell of the ceramic membrane oxygen generation system is structurally stable at 0.5 MPa （adiabatic） pressure and 900 ℃ temperature.This paper investigates the key materials and structure of biphasic ceramic membrane oxygen generation system， proves the feasibility and reliability of oxygen partial pressure-driven biphasic ceramic membrane oxygen generation system.

Key words：" ceramic membrane; biphasic ceramic membrane; oxygen generation system; pressure-driven; thermal analysis