基于磁场作用的低温精馏强化机理研究

Industrial gases are regarded as the "blood" of modern industries.It is of the most importance to further reduce the energy consumption and cut down the unit cost in the industrial gases and related industries. This study proposes a novel method realizing an efficient combination of cryogenic distillation and magnetic separation, which utilizes the differences of the boiling points of nitrogen and oxygen together with the unique paramagnetism of oxygen. Based on thermodynamics, electromagnetics, molecular dynamics, and modern cryogenic heat transfer theories, this project aims to significantly increase the efficiency of cryogenic distillation. The mechanisms of the large scale sections axial flows, radial flows and movements of the paramagnetic and diamagnetic gases when exposed to the different types of magnetic fields will be extensively investigated. The mechanisms of the irreversible heat transfer, mass transfer, and flow friction losses in magnetic field will be explored. The methods to increase the efficiencies of the heat and mass transfer by utilizing the effect of magnetic field are expected. The paramagnetic flow of oxygen,the interactions of the oxygen and nitrogen gases, and the dynamic coupling characteristics of the heat and mass transfers of the gas-liquid in the specific magnetic and temperature fields will be also studied.The coupling optimization will be performed to make full advantage of the above two methods. A small-scale air separation experimental setup will be built and optimized to verify the feasibility of the new method. The achievments will provide a solid foundation for the large-scale industrial applications of the magnetic field assisted cryogenic distillation equipments.

工业气体是现代工业的"血液"，但其生产过程中的高能耗、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。本项目以显著提高低温精馏效率为目标，提出一种综合利用氧氮沸点差异性和氧的顺磁性，来实现低温精馏与磁致分离有机结合的全新方法。从热力学、电磁学、分子动力学和现代低温传热理论出发，本项目着重研究不同形式磁场作用下大尺度截面上顺、逆磁性流体轴向流动、径向流动及相互运动的形成机制，从理论和实验两方面揭示磁场作用下精馏塔内的不可逆传热、传质和流动损失机理，寻求利用磁场作用提高传热、传质效率的措施；探索在特定磁场和温度场环境下氧的顺磁流动、氧氮气体的相互作用和气液两相传热传质过程的动态耦合匹配特性，并进行有针对性的匹配优化，从而最大程度地发挥两种空分方法的优势；建立磁场作用的小型空分实验装置，以进一步验证方法的可行性。该项目可望为磁场辅助低温精馏装置的工业应用奠定坚实基础。

工业气体是现代工业的“血液”，但其生产过程中的高能耗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。本项目以显著提高低温精馏效率为目标，提出了一种综合利用氧氮沸点差异性和氧的顺磁性，来实现低温精馏与磁致分离有机结合的全新方法。在这一开创性课题的研究中，我们将复杂的问题按照磁场下的流动、磁场下的传热和磁场下的传质解耦，揭示了磁场对于低温精馏中各物理过程的作用机理。主要研究进展包括：. (1) 开展了非均匀磁场下的氧氮多相流动、传热的多物理场耦合仿真。揭示了入口条件、磁系结构、切换频率等关键因素对磁场作用效果的影响规律，为后续实验研究与工业应用奠定了理论基础。. (2) 首次提出综合利用氧氮沸点差异与氧的顺磁性的低温精馏强化方法，包含磁性塔板（填料）、高效换热装置、超导磁分系统、测试系统等，获多项专利授权及公开, 形成了磁场辅助低温精馏系列自主知识产权体系。. (3) 进行了梯度磁场下多元低温两相传质可视化实验研究。自行研制了可用于低温流体观察的激光干涉测量系统，实验研究了磁场及导磁填料与低温传质的动态耦合特性，这方面的研究国内外尚无文献报道。. 本项目中建立的相应理论体系和获得的实验数据将为磁场辅助低温精馏的装置优化和实际工业化应用提供坚实的技术支撑。. 项目负责人邱利民入选中组部第二批“万人计划”科技创新领军人才（2013）、科技部首批中青年科技创新领军人才（2013）。2015年入选国家百千万人才工程，授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。团队成员张小斌博士晋升教授（2015），博士生植晓琴荣获国际制冷学会卡尔林德奖（2015）。培养博士后1名、博士生4名、硕士生3名、本科毕业设计6名。. 项目执行期间发表论文7篇，其中SCI检索2篇（均为相关领域国际权威期刊）、EI检索2篇；国际会议论文2篇，国内会议论文2篇。此外，还有已投稿评阅中的国际期刊论文2篇，中文期刊论文1篇。获得授权的中国专利4项，其中发明专利2项；已公开发明专利申请3项。项目组成功举办了第五届国际低温制冷会议（ICCR2013）与第八届亚洲应用超导与低温技术会议（ACASC2015），两次会议共汇聚了来自17个国家和地区的480余名低温、制冷和相关领域的著名学者、专家和部分学生，并设立了气体液化与分离分会场。