一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法

《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》是安徽美空氣電科技有限公司於2016年8月31日申請的發明專利，該專利申請號為2016107986877，公布號為CN106326673A，專利公布日為2017年1月11日，發明人是馬雲霞、李洪全。

《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》公開了一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法，包括以下步驟：S1、在入膜氣體溫度以及膜出氣口氧濃度相同的條件下，分別測量出在膜出氣口的氧氣的氣體流量值不同的情況下，所需的入膜氣體壓力的不同值；S2、根據不同的膜出氣口的氧氣的氣體流量值以及不同的入膜氣體壓力值，計算出β₀和β₁的值；S3、得出函式關係式y＝β₀+β_1x；S4、測量出在膜出氣口氧濃度以及膜出氣口的氧氣的氣體流量值相同的情況下，入膜氣體溫度不同時所需的入膜氣體壓力的不同值；S5、根據步驟S3中得到的入膜氣體壓力的不同值計算出公差d；S6、得出函式關係式y_T＝y_t+（T-t）d；S7、根據函式關係式y＝β₀+β_1x以及y_T＝y_t+（T-t）d計算實際情況下所需的入膜氣體的壓力值。

2020年7月17日，《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法
• 公布號：CN106326673A
• 公布日：2017年1月11日
• 申請號：2016107986877
• 申請日：2016年8月31日
• 申請人：安徽美空氣電科技有限公司
• 地址：安徽省合肥市高新區長江西路拓基廣場C座1122室
• 發明人：馬雲霞、李洪全
• 代理機構：合肥市長遠專利代理事務所
• 代理人：程篤慶、黃樂瑜
• Int.Cl.：G06F19/00(2011.01)I；B01D63/02(2006.01)I；B01D53/22(2006.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

氮氣占比78％，氧氣占比21％，其餘1％的其他氣體構成我們人類生存的空氣。隨著人類的發展和科技的進步，現發明基於一種高分子材料中空纖維膜進行分離空氣中氮氧成分，並且通過一種有效的控制方法任意調出氣口的氮氧氣體濃度比例。空氣壓縮壓縮空氣後進入中空纖維膜進氣口，膜有兩個出氣口，一個是富氮出氣口（即富氮口）另一個是富氧出氣口（即富氧口）。經過有關科研從事者的不懈努力，得出影響中空纖維膜工作效率的主要因素是入膜氣體溫度、入膜氣體壓力、出口氣體流量。在中空纖維膜的實際使用過程中，一般是要求恆定膜出氣口的氣體氧濃度，而去改變入膜氣體溫度、入膜氣體壓力和出氣口流量。針對中空纖維膜使用各行業中，而2016年8月之前的技術研究沒有找到入膜氣體溫度、入膜氣體壓力、出口氣體流量影響出氣口氣體氧濃度值的關係，因而無法實現自動化無極穩定控制。截至2016年8月，中國外採用是粗糙的點對點控制，需針對每一根膜進行大量的實測，取得壓力、流量、濃度、溫度的對應點。該發明所闡述的就是通過將入膜氣體溫度、入膜氣體壓力、出口氣體流量等影響中空纖維膜出氣口氣體濃度的因素構建一種數學模型。通過建立的數學模型實現簡單有效、穩定性好、控制出氣口氣體濃度誤差低的自動化閉環控制。

發明內容

專利目的

基於背景技術存在的技術問題，《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》提出了一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法。

技術方案

《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》提出的基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法，包括以下步驟：

S1、在進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t0、中空纖維膜出氣口處的氧濃度為C0的條件下，分別測量出將中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量值設定為x₁、x₂、x₃……x_n時，所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y₁、y₂、y₃……y_n；

S2、將x₁、x₂、x₃……x_n、y₁、y₂、y₃……y_n代入下述公式，計算出β₀和β₁的值；所述公式為：

其中

S3、得出進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y與中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量x的函式關係式：

y＝β₀+β_1x；

S4、測量出當進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t₁₁、中空纖維膜出氣口處的氧濃度為C₁₁、中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量為x11時，所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t11；且測量出當進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t₂₂、中空纖維膜出氣口處的氧濃度為C₁₁、中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量為x11時，所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t22；

S5、計算出公差d；其中，d＝|y_t22-y_t11|；

S6、得出進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為T時所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_T與進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t時所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t的函式關係式：

y_T＝y_t+（T-t）d；

S7、根據公式y＝β₀+β_1x及y_T＝y_t+（T-t）d即可在給定中空纖維膜出氣口處的氧濃度、中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量時，通過計算對比溫度t下所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t的值，計算出實際溫度T下所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_T的值。

優選地，為驗證通過公式y_t＝β₀+β_1x求得的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力值是否存在較大誤差，可以引入相關係數R進行論證：

求得的相關係數R的值越接近數值1，表明通過公式y_t＝β₀+β_1x求得的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力值越精確。

優選地，在步驟S1中，對中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量值進行設定時，設定的原則為所設定的氣體流量值在用戶選取的區間範圍內跨度儘可能大。

優選地，通過設定溫度感測器來檢測進入所述中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度。

優選地，通過設定電氣流量比例閥或流量調節閥來檢測中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量大小。

改善效果

《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》首先將進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度以及中空纖維膜出氣口處的氧濃度控制為固定值，通過改變中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量值的大小，以測量出所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力的不同值；再根據上述不同的中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量以及進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力的不同值，建立線性回歸方程以最小二乘法求得中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量與進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力之間的函式關係式；考慮到不同廠家生產的中空纖維膜在性能上和材料上有所差異，該發明首先通過人工手動測量結果計算出中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量與進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力之間的函式關係式，上述確定的函式關係式不僅為接下來的操作和計算提供準確的參考依據，而且節約了大量的計算時間；

其次，該發明將中空纖維膜出氣口處的氧濃度以及中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量設為固定值，通過選取兩個不同的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度值，以得出在進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度不同的情況下，所需的不同的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力，並根據進入中空纖維膜進氣口的測定氣體溫度的不同值以及所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體壓力的不同值，得出進入中空纖維膜進氣口的測定氣體溫度與所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力的函式關係式；

最後，根據中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量與進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力之間的函式關係式，以及，進入中空纖維膜進氣口的測定氣體溫度與所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力的函式關係式，即可計算出在實際套用過程中所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力值。且該發明中還設有檢驗步驟，通過根據公式和計算結果計算出相關係數，並將上述相關係數值與數值1進行比較，即可得出利用該發明提出的方法求得的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力值是否精確，通過多次實際計算和驗證，利用該發明提出的方法求得的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力值精確度較高，具有良好的實用性和適用性。

附圖說明

圖1為《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》的步驟示意圖。

圖1

技術領域

《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》涉及空氣氮氧分離技術領域，尤其涉及一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法。

權利要求

1.《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》其特徵在於，包括以下步驟：S1、在進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t0、中空纖維膜出氣口處的氧濃度為C0的條件下，分別測量出將中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量值設定為x₁、x₂、x₃……x_n時，所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y₁、y₂、y₃……y_n；

S2、將x₁、x₂、x₃……x_n、y₁、y₂、y₃……y_n代入下述公式，計算出β₀和β₁的值；所述公式為：

其中

S3、得出進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y與中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量x的函式關係式：

y＝β₀+β_1x；

S4、測量出當進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t₁₁、中空纖維膜出氣口處的氧濃度為C₁₁、中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量為x11時，所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t11；且測量出當進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t₂₂、中空纖維膜出氣口處的氧濃度為C₁₁、中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量為x11時，所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t22；

S5、計算出公差d；其中，d＝|y_t22-y_t11|；S6、得出進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為T時所需的進入中空纖維膜進氣

口的測定氣體的壓力y_T與進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t時所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t的函式關係式：

y_T＝y_t+（T-t）d；S7、根據公式y＝β₀+β_1x及y_T＝y_t+（T-t）d即可在給定中空纖維膜出氣口處的氧濃度、中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量時，

通過計算對比溫度t下所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t的值，計算出實際溫度T下所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_T的值。

2.根據權利要求1所述的基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法，其特徵在於，為驗證通過公式y_t＝β₀+β_1x求得的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力值是否存在較大誤差，可以引入相關係數R進行論證：

求得的相關係數R的值越接近數值1，表明通過公式y_t＝β₀+β_1x求得的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力值越精確。

3.根據權利要求1所述的基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法，其特徵在於，在步驟S1中，對中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量值進行設定時，設定的原則為所設定的氣體流量值在用戶選取的區間範圍內跨度儘可能大。

4.根據權利要求1所述的基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法，其特徵在於，通過設定溫度感測器來檢測進入所述中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度。

5.根據權利要求1所述的基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法，其特徵在於，通過設定電氣流量比例閥或流量調節閥來檢測中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量大小。

實施方式

參照圖1，《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》提出的基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法，包括以下步驟：

S1、在進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t0、中空纖維膜出氣口處的氧濃度為C0的條件下，分別測量出將中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量值設定為x₁、x₂、x₃……x_n時，所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y₁、y₂、y₃……y_n；對中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量值進行設定時，設定的原則為所設定的氣體流量值在用戶選取的區間範圍內跨度儘可能大，如此可保證計算數據和結果的準確性和可對比性，防止所設定的氣體流量值在選值時跨度過小造成計算數據和結果相近的情況發生，影響對計算數據和結果的分析。並且，在對中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量值進行設定時，氣體流量值的個數n在設定時，個數過多時會導致計算過程繁雜，個數過少時會影響數據數據失真，因此氣體流量值的個數n在設定時應適中，根據實際需要選取合適的個數。

S2、將x₁、x₂、x₃……x_n、y₁、y₂、y₃……y_n代入下述公式，計算出β₀和β₁的值；所述公式為：

其中其中，

；

；

；

S3、得出進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y與中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量x的函式關係式：

y＝β₀+β_1x；

S4、測量出當進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t₁₁、中空纖維膜出氣口處的氧濃度為C₁₁、中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量為x11時，所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t11；且測量出當進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t₂₂、中空纖維膜出氣口處的氧濃度為C₁₁、中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量為x11時，所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t22；

S5、計算出公差d；其中，d＝|y_t22-y_t11|；

S6、得出進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為T時所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_T與進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度為t時所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t的函式關係式：

y_T＝y_t+（T-t）d；

S7、根據公式y＝β₀+β_1x及y_T＝y_t+（T-t）d

即可在給定中空纖維膜出氣口處的氧濃度、中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量時，通過計算對比溫度t下所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力y_t的值，計算出實際溫度T下所需的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力yT的值。

進一步地，為驗證通過公式y_t＝β₀+β_1x求得的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力值是否存在較大誤差，可以引入相關係數R進行論證：

求得的相關係數R的值越接近數值1，表明通過公式y_t＝β₀+β_1x求得的進入中空纖維膜進氣口的測定氣體的壓力值越精確。

該實施方式中，通過設定溫度感測器來檢測進入所述中空纖維膜進氣口的測定氣體的溫度；以及通過設定電氣流量比例閥或流量調節閥來檢測中空纖維膜出氣口處氧氣的氣體流量大小。

榮譽表彰

2020年7月17日，《一種基於中空纖維膜實現空氣氮氧分離的方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。