低温空气分离的超导磁分离器、分离装置及方法技术领域
本发明涉及空气分离，尤其涉及利用超导迈斯纳效应进行低温空气分
离的超导磁分离器、分离装置及方法。
背景技术
工业气体是现代工业的“血液”，其应用遍及钢铁、冶金、化工、造
船、汽车、医药、食品、电子、石油、航空航天等诸多重要领域。随着经
济快速发展，工业气体的需求激增。据美国空气产品公司(APCI)预测：
截至2015年全球工业气体市场年增长9％，达到960亿美元；亚洲市场
年增长14％，而中国增长将高达19％。然而，工业气体生产中高能耗、高
成本问题已成为制约工业气体行业乃至相关产业快速发展的突出瓶颈。
工业气体大都来自空气分离，其中氧、氮、氩气的需求量最大。空气
分离的方法主要有低温精馏法、变压吸附法(PSA)、薄膜分离法、化学
吸收法等多种。近年来，煤化工、石油化工、金属冶炼等行业不断推动着
空气分离成套装备向着大型化、节能化和智能化方向发展。
除利用沸点差异实现低温精馏分离外，磁化率的差异也是可资利用的
重要特性。氧气是顺磁性气体，其正磁化率为常见气体中最大。标准状态
下，氧气的磁化率绝对值约为氮气的300倍；而氮气是逆磁性气体，磁化
率较低且为负值，其磁化率大小基本不随温度而改变。氧氮混合物在梯度
磁场中将受到方向相反的磁场力作用，因而呈现出相反的磁性流动行为，
这为利用梯度磁场作用实现空气分离提供了理论依据。吴平等在专利文献
ZL200510086240.9中提出了采用两块永磁铁叠放，利用其围成的磁场空间
实现连续富氧的方法。磁场空间边界处指向空间内部的场强梯度起到了拦
截氧气的作用，而逆磁性的氮气可以自由溢出磁场空间，这样在磁场空间
内实现了氧气的连续富集，该富氧装置实验中单级最大氧气富集程度为
0.65％。王喜魁等在专利文献ZL200820010636.4和ZL200820010635.X中
提出了两种小型带钢毛的高梯度空气分离装置，利用含铬不锈钢毛强化梯
度磁场。磁力空气分离装置简便、能耗低，但普遍存在着产品纯度低的缺
点。
为了提高磁力空气分离装置的效率及产品纯度，可以采用增强磁场强
度、梯度，降低操作温度，与其它空气分离手段耦合作用等方法。邱利民
等在专利文献ZL2014201361163中提出了一种梯度磁场辅助低温精馏空
气分离装置，可以利用低温精馏与磁分离的耦合作用实现高纯度的空气分
离。
发明内容
针对现有磁力空气分离装置中存在的问题，本发明提供一种高效率、
高纯度的利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导磁分离器、分离装
置及方法。
一种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的方法，其特征在于，包
括：使液态或超临界状态的空气在超导薄膜表面流过，超导薄膜内存在贯
通的微孔，由于迈斯纳效应，微孔的两端将形成很高的磁场梯度，产生对
于氧分子的反向作用力，从而透过薄膜的流体为氮气，截留的流体为氧气。
氧气是顺磁性气体，常温常压下其磁化率绝对值约为氮气的300倍，
空气中的氧分子将受到朝向磁场强度增大方向的磁化力。同时，由于顺磁
性气体遵从居里定律(磁化率与热力学温度成反比)，低温下氧气的磁化
率将大幅提高，磁分离的作用将显著提升；相反地，氮气只具有相当微弱
的逆磁性，且磁化率大小与温度无关，氮分子的运动基本不受磁场的影响。
所述超导薄膜放置在高强度磁场中，高强度磁场由外磁体提供，外磁
体可采用超导磁体提供。处于超导状态的薄膜在外加磁场下将产生迈斯纳
效应，即薄膜表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场与外加
磁场大小相等、方向相反，因而超导体完全排出了外部磁场，超导体外部
的磁感线将绕过超导体传播。
所述超导薄膜内部存在贯通的微孔，由于迈斯纳效应，微孔的两端将
形成很高的磁场梯度。当空气流经超导薄膜的一侧表面时，空气中的氧分
子在微孔端部附近将受到朝向超导薄膜外侧的磁化力作用，从而被拦截在
孔外，而氮分子可以无阻碍地通过微孔运动到超导薄膜的另一侧。
所述空气原料处于低温液体或超临界气体状态，原料本身将提供超导
磁体和超导薄膜维持超导状态所需的低温。当原料为液态时，可以利用重
力维持超导薄膜两侧的压力差。当原料为超临界状态时，原料中的组分扩
散系数更高，有利于氮气分子透过薄膜实现分离，但需要额外的压力以提
供流体透过薄膜所需的动力。
本发明还提供了一种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导
磁分离器，包括带有空气原料进口、氧气出口和氮气出口的外壳，以及设
于外壳内的分离芯体，所述分离芯体包括：
用于提供磁场的外磁体；
至少一部分为多孔超导薄膜的分离元件，该分离元件设置在所述外磁
体磁场内部；
所述多孔超导薄膜一侧与自空气原料进口进入的空气原料接触，用于
收集氧气，并通过氧气出口排出；所述超导体另一侧用于收集穿过所述孔
结构的氮气，然后经氮气出口排出。
分离元件可采用管体结构或者可采用板状结构。
作为优选，所述分离元件为由超导薄膜围成的多孔管，多孔管两端分
别与空气原料进口和氧气出口导通。作为进一步优选，所述多孔管为多个。
采用该技术方案时，所述超导磁分离器可采用管壳式分离器。所述管壳式
分离器包括壳体、端盖以及设置在壳体内的超导磁体、分配段以及多孔管
束，超导磁体环绕多孔管束布置，分配段布置在多孔管束的入口和出口处。
壳体、端盖构成了上述外壳。
原料空气经入口通过分配段均匀分布到管束中的每一根多孔管中，由
于多孔管内壁附近存在梯度磁场，氧气被截留在多孔管内由氧气出口流
出，而氮气侧流透过管壁由壳体上的氮气出口流出。
作为优选，所述多孔管包括：
位于外部的支撑层；
同轴固定在支撑层内的超导薄膜层；
设于支撑层与超导薄膜层之间的多孔阻尼层。
上述方案中，所述多孔管束中的每一根多孔管都由三层构成，由内至
外分别为超导层、阻尼层和支撑层。超导层的作用是产生分离所需的梯度
磁场，阻尼层的作用是维持原料空气侧和氧气、氮气侧的压力差，从而控
制透过物和截留物的比例，支撑层的作用是保持管壁的强度。
作为优选，所述分离元件为空腔结构的筛板，该筛板中一侧侧壁为多
孔超导薄膜，该侧为空气原料的迎接侧；所述筛板与外壳内壁之间留有空
气流道；所述筛板侧壁设有氮气排出口。
作为优选，所述筛板为多个，多个筛板交错设置，形成迂回的空气流
道结构。该技术方案中，所述超导磁分离器为板框式分离器，所述板框式
分离器包括壳体、端盖以及设置在壳体内的超导磁体、导流板、筛板以及
增压器，超导磁体布置在筛板两侧，导流板布置在空气原料的入口处，筛
板侧面的透过物出口与增压器相连。壳体、端盖构成了上述外壳。
作为优选，所述外壳上设有与每个筛板对应的氮气回流口；对于其中
一个筛板，其氮气排出口与上一级筛板的氮气回流口连通。所述筛板上表
面为多孔超导薄膜，内部中空。原料空气从筛板上表面横向流过，由于多
孔薄膜表面存在梯度磁场，氧气被截留在筛板上方，继而流向下一级筛板，
而氮气透过多孔薄膜流向筛板内部，由筛板侧面流出，进入增压器增压后
回流到上一级筛板。
本发明同时提供了一种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的装
置，包括吸附器、与吸附器出口依次连通的压缩机、换热器、超导磁分离
器、氧储罐和氮储罐，所述超导磁分离器为上述任一技术方案所述的利用
超导迈斯纳效应进行低温空气分离的超导磁分离器。
作为优选，所述超导磁分离器为多级。多个所述超导磁分离器顺次连
接，磁分离器侧面的氮气出口与上一级超导磁分离器的原料入口相连。最
上一级的超导磁分离器的氮气出口与换热器和氮储罐顺次连接，最下一级
超导磁分离器的氧气出口与换热器和氧储罐顺次连接。
原料空气流经吸附器排除二氧化碳和水等杂质，然后通过压缩机压缩
至较高压力，高压的空气在换热器中被制冷工质和回流的氧气、氮气冷却
到超导磁分离器的操作温度，然后通过多级超导分离器实现高纯度分离。
作为优选，抽取一部分经压缩和冷却后的空气在透平膨胀机中膨胀吸
热作为所述制冷工质。
本发明利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离，超导磁体产生的高强
度磁场作用于多孔超导薄膜，通过超导薄膜内的迈斯纳效应营造用于分离
的高梯度磁场，可以获得高品质氧气和氮气产品。相比于传统的磁力空气
分离，本发明磁场强度、梯度更高，低温的原料空气中氧分子的磁化率成
倍增大，并且可以提供磁体和薄膜维持超导状态所需的冷量，因此分离效
率、产品纯度更高，在化工、冶炼、医疗等需要提供高纯度氧气的领域有
着广阔的应用空间。
附图说明
图1是超导薄膜周围的磁场分布示意图；
图2是空气在薄膜表面分离的原理示意图；
图3是利用超导迈斯纳效应的空气分离流程图；
图4是管壳式超导分离器结构示意图；
图5是空气经多孔管分离的原理简图；
图6是板框式超导分离器结构示意图；
图7是板框式超导空气分离的原理简图。
上述附图中：
1.超导薄膜，2.超导磁体，3.磁感应线，4.吸附器，5.压缩机，6.换热
器，7.超导磁分离器，8.氧储罐，9.氮储罐，10.多孔管束，11.壳体，12.
超导磁体，13.端盖，14.阻尼层，15.支撑层，16.筛板，17.增压器，18.导
流板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
一种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的方法，包括使液态或超
临界状态的空气在超导薄膜表面流过，超导薄膜内存在贯通的微孔，微孔
边缘的高梯度磁场提供对于氧分子的反向作用力，从而透过薄膜的流体为
氮气，截留的流体为氧气。
上述方法中，超导薄膜微孔边缘的高梯度磁场可有外加磁场提供。如
图1所示，超导薄膜1放置在由超导磁体2提供的强磁场内，处于超导状
态的薄膜在外加磁场下将产生迈斯纳效应，即薄膜表面产生一个无损耗感
应电流。这个电流产生的磁场与外加磁场大小相等、方向相反，因而超导
体完全排出了外部磁场，超导体外部的磁感线将绕过超导体传播。超导薄
膜1内部存在贯通的微孔，磁感线绕过薄膜，在微孔的两端将发生弯曲，
形成很高的磁场梯度。
如图2所示，当空气流经超导薄膜1的一侧表面时，空气中的氧分子
在微孔端部附近将受到朝向超导薄膜1外侧的磁化力作用，从而被拦截在
孔外，而氮分子可以无阻碍地通过微孔运动到超导薄膜1的另一侧。
本实施例中采用的空气原料处于低温液体或超临界气体状态，空气原
料自身温度较低；选用的超导薄膜的超导临界温度需要与空气原料温度相
匹配，即空气原料的温度等于或低于超导薄膜的超导临界温度，此时空气
原料本身将提供超导磁体和超导薄膜维持超导状态所需的低温。当空气原
料为液态时，可以利用重力维持超导薄膜两侧的压力差。当空气原料为超
临界状态时，空气原料中的组分扩散系数更高，有利于氮气分子透过薄膜
实现分离，但需要额外的压力以提供流体透过薄膜所需的动力，此时可以
采用增压装置辅助增压，比如可配置气泵等。
如图3所示，一种利用超导迈斯纳效应进行低温空气分离的分离装置，
包括吸附器4、压缩机5、换热器6、超导磁分离器7、氧储罐8和氮储罐
9。吸附器4、压缩机5、换热器6与超导磁分离器7的原料空气入口顺次
连接，即压缩机5的空气入口与吸附器4的空气出口连通，换热器6内被
冷却管道的空气入口与压缩机5的空气出口连通，超导磁分离器7的空气
入口与换热器6内被冷却管道的空气出口连通；超导磁分离器7的氮气出
口与氮储罐9连通，超导磁分离器7的氧气出口与氧储罐8连通。超导磁
分离器7为N级，N为超导磁分离器7的总级数；N级上述超导磁分离器
7顺次连接。其中对于其中一级超导磁分离器7，其侧面的氮气出口与上
一级超导磁分离器7的原料入口相连，回流的氮气作为上一级分离器的原
料。最上一级的超导磁分离器7(N)的氮气出口与换热器6换热后再与
氮储罐9顺次连接，最下一级超导磁分离器7(1)的氧气出口与换热器6
换热后再与氧储罐8顺次连接。
原料空气流经吸附器4排除二氧化碳和水等杂质，然后通过压缩机5
压缩至较高压力，高压的空气在换热器6中被制冷工质和回流的氧气、氮
气冷却到超导磁分离器7的操作温度，然后通过多级超导分离器1-N实现
高纯度分离。
作为一种更优的选择，可抽取一部分经压缩和冷却后的空气在透平膨
胀机中绝热膨胀降温，然后作为换热器6的制冷工质进行制冷。
上述超导磁分离器7中超导薄膜可选用各种结构，例如可选用由多孔
结构的超导薄膜1围成的一个或多个侧壁具有多孔结构的流道；此时空气
原料可直接通入到上述流道内，氮气穿过多孔结构排出收集，氧气收集于
流道内，从流道两端收集。同样，也可以使得空气原料从流道外壁通过；
氮气在流道内富集，氧气在流道外；对于超临界状态的空气原料可根据需
要在流道外或者流道内，即氮气富集侧增加增压驱动装置等，例如可增加
气泵等。
或者，超导磁分离器7中超导薄膜可采用平板结构的多孔超导薄膜，
此时需要利用其它板件等与超导薄膜形成氮气的流道，便于从超导薄膜空
隙中进入流道内收集。
如图4所示，作为一种具体的选择，超导磁分离器7为管壳式分离器，
管壳式分离器包括壳体11、端盖13以及设置在壳体11内的超导磁体2、
分配段12以及多孔管束10，超导磁体2环绕多孔管束10布置，分配段
12布置在多孔管束10的入口和出口处，便于多孔管束10的安装，以及多
孔管束10的入口和出口与端盖13上出入口的对装。壳体11、端盖13组
成装置的外壳。
原料空气经入口通过分配段12均匀分布到管束10中的每一根多孔管
中，由于多孔管内壁附近存在梯度磁场，氧气被截留在多孔管内由端盖13
上的氧气出口流出，而氮气侧流透过管壁由壳体11上的氮气出口流出。
如图5所示，多孔管束10中的每一根多孔管都由三层构成，由内至
外分别为超导薄膜1、阻尼层14和支撑层15。超导层1的作用是产生分
离所需的梯度磁场，阻尼层14的作用是维持原料空气侧和氧气、氮气侧
的压力差，从而控制透过物(氮气)和截留物(氧气)的比例，支撑层15
的作用是保持管壁的强度。超导薄膜1、阻尼层14和支撑层15固定为一
体。
采用图4的超导磁分离器7，一般多级设置，如前所述，其中对于其
中一级超导磁分离器7，其侧面的氮气出口与上一级超导磁分离器7的原
料入口相连，回流的氮气作为上一级分离器的原料，最上一级的超导磁分
离器7的氮气出口为最终的氮气出口，最下一级超导磁分离器7的氧气出
口为最终的氮气出口。
如图6所示，作为另一种具体的选择，超导磁分离器7为板框式分离
器，板框式分离器包括壳体11、端盖13以及设置在壳体内的超导磁体2、
导流板18、筛板16以及增压器17，超导磁体2布置在筛板16两侧，导
流板18布置在空气原料的入口处，筛板16侧面的透过物出口与增压器17
相连。
如图7所示，筛板16上表面为多孔超导薄膜1，内部中空。原料空气
从筛板16上表面横向流过，由于多孔薄膜1表面存在梯度磁场，氧气被
截留在筛板16上方，继而流向下一级筛板，而氮气透过多孔超导薄膜1
流向筛板16内部，由筛板16侧面流出，进入增压器17增压后由出口A、
B流出，进而通过A’、B’回流到上一级筛板，即由出口A排出的氮气通
过A’回流到上一级筛板，即由出口B排出的氮气通过B’回流到上一级筛
板。增压器17一般采用气泵等，驱动氮气回流。
采用图6的超导磁分离器7，可采用单独的一级设置。当然在一些特
殊场合，也可采用多级设置，同样，多级设置时其中一级超导磁分离器7，
其侧面的氮气出口与上一级超导磁分离器7的原料入口相连，回流的氮气
作为上一级分离器的原料，最上一级的超导磁分离器7的氮气出口为最终
的氮气出口，最下一级超导磁分离器7的氧气出口为最终的氧气出口。
另外，随着装置运行时间的延长，由于吸附不彻底而残留的水、二氧
化碳杂质可能固化堵塞换热器6内的换热通道以及超导薄膜1内的微孔，
对分离性能产生不利影响。此时需采用常温氮气进行吹扫复温，以排除固
化在系统中的杂质，然后再重新将装置冷却，进入正常运行。