超导体在工业制氧中的应用
郑庆隆
(铜陵市第三中学,安徽铜陵 244000)
摘 要: 超导体是21世纪的热门材料,其在临界低温条件下具有零电阻、抗磁性等特点,在电磁方面有许多的应用潜能。而氧气是一种具有顺磁性的气体,在强磁场的条件下,能被磁场吸引。传统的工业制氧采用的是利用空气中各气体的沸点不同,对空气进行低温液化后再将液态空气进行分馏,从而得到纯氧。该制氧方法的工业耗能较高且所需要的占地空间较大。在低温条件下,结合超导体以及利用传统工业制氧所需的低温条件以及氧气的顺磁性,本文提供了一种新的从液态空气中分离出氧气的方法。
关键词: 超导体;顺磁性;工业制氧
0 引言
氧气是人们赖以生存的气体,同时,氧气作为助燃剂,液态氧气在航空航天技术上有着广泛的应用。对于传统的工业制氧,其核心原理就是空气中各组成部分的物质的沸点不同。利用此原理而进行的传统的工业制氧方法称为深冷空分制氧技术。该技术首先将空气通过低温高压进行液化,再通过分馏技术,使得不同沸点的空气成分得以分离。
氧气还具有一种特殊的性质称为顺磁性。顺磁性简单理解就是指在磁场的作用下,材料会被磁场所影响,顺着磁力线方向运动的特性。因此,也就是说氧气能在磁场的作用下,沿着磁力线的方向前进。
超导现象是指特殊的在低于一定温度的条件下,导体出现电阻降为零的情况。能出现这种现象的导体称为超导体。最早发现的超导体是水银,由卡末林·昂尼斯在二十世纪初发现。随着现代科技的发展,低温超导体的种类也越来越多,超导体的临界温度也在逐渐升高。超导体的零电阻特性,为电磁方面的应用和研究提供了非常好的材料。利用超导体,我们可以在超导体周围产生磁场,又由于超导体在超导条件下零电阻,因此没有热耗散,磁场更为稳定。现阶段,一些超导体已经成功制成了超导线并形成了产业,能进行批量生产。
结合氧气的顺磁性以及超导体所能在低温下提供稳定电磁场的特性,我们对传统的工业制氧方法提出了一种新的从液态空气中分离出氧气的方法。
1.评估前准备。评估前准备主要有两个议程：第一，选择评估人。评估人的资质水平决定了评估质量，因此当事人对评估人的要求和期望值是整个程序中最关注的。第二，当事人陈述。陈述主要采用提交书面材料的方式，主要陈述案件事实、法律依据和当事人的诉求。
1 设计原理
如图1所示,我们展示了从液态空气中分离出氧气的方案设计图。液态空气从上方液态空气入口进入,以一定速度向下流动,在氧气出口处有超导体材料构成的强磁场,在磁场的作用下,氧气会被吸引而向着氧气出口方向运动,首先会遇到分子筛。我们设置这个分子筛为只允许氧气分子以及比氧气分子小的分子通过,这样,能去除一些具有顺磁性的大分子物质。随后,被磁场吸引的氧气会经过填充物,填充物的主要成分是凝胶,能够使得小分子通过受阻而大分子的氧气能顺利前进。这一步,能再次对氧气中的杂质进行去除,最终在氧气出口获得的就是纯净的氧气,即我们的目标产物。剩余的液态空气成分(主要为氮气)则从氮气出口流出。
一个国际研究团队最新发现，古人类“直立人”于约20万年前灭绝，部分原因可能在于他们“懒惰”。直立人属于人科人属，出现于大约200万年前，与现代人（智人）分属不同的种。研究人员分析了沙特阿拉伯中部代瓦迪米附近一处遗址后发现，这些直立人在制造石器时会随意使用住地周围的石头，而不愿费力去附近小山上收集质量更好的石头。这与早期智人和尼安德特人形成了鲜明对比。早期智人和尼安德特人都会登山寻找优质石头，并将其从远处运回。直立人的“懒惰”还表现在技术革新上非常保守。尽管周遭环境已经改变，他们仍是按照老办法和依靠已有工具生活，而不是想办法做出改变。
因此,结合以上,我们提出了一种新的氧气分离的方法,即在液态空气流过的路径外加一个磁场,使得具有顺磁性的氧气沿着磁力线运动从而与液态空气的其它成分相分离。
因为空气的沸点低,要让空气保持在液化状态下,必须保持一个低温的状态。在这种低温的液体外,需要一个强磁场的介入,我们自然就联想到了超导体。
超导体在低温下电阻降为零,也就是说,只要有一个小电压施加在超导体上就能够产生一个相对而言的强磁场,如果能应用于工业中,能很好地降低耗能,为建造绿色工业作出贡献。由于超导体在交变电流下存在交流损耗,使用交变电流产生磁场会产生损耗,又由于超导体产生较强磁场只需要较小的电压,因此只需使用直流电产生恒定磁场即可。
在空气成分中,只有氧气和少数的杂质气体具有顺磁性,并且相较于氧气的顺磁性,杂质的顺磁性相当小,除此之外,氮气为反磁性的物质,在磁场下会沿着磁力线反方向运动,而剩下的成分不具有磁性,不被磁场影响。因此利用氧气的顺磁性,如果能在液态空气外加一个磁场,使得氧气沿着磁力线运动,即可以将氧气与液态空气中的其它成分相分离。
ROV的各项功能是在用户和ROV之间、ROV内部各软硬件之间的协作基础上实现。正确处理这些协作关系是用户操作软件的内在设计目标。
综上,利用磁场将氧气从液态空气之中分离出来是完全可行的。
2 理论论证
这种装置也可以多个相连,即剩余液态空气再从下一个装置的入口进入,再次对剩余的液态空气中残存的氧气进行提取,能有效得提高液态空气的利用率。
依据氧气的顺磁性,我们要在液态空气外另加一个磁场使得氧气与其它空气成分分离。氧气的顺磁性的磁化率大小在常温下气体形态时为10^-6～10^-3量级,但随着温度的降低,磁化率会随之增大。氧气所受到的磁力的大小F与磁场大小B成正比。以磁化率为10^-6来计算,在1000高斯的磁场作用下,所受到的磁力约在10^-3N量级,因此能很轻松地将氧气从液态空气中分离开来。
针对于我们所提出的传统工业制氧过程中氧气分离的新的方法,我们对其进行了优缺点分析。
“今天，我们先学习格斗技巧；明天，两人一组进行格斗。”老四说，“因此，我建议你们集中注意力。不快点学会的人一定会受伤。”
图1 方案设计图
3 方案设计
传统的工业制氧是通过分馏液态空气的方法进行的。在空气中,氮气占总成分的78%左右,其次为氧气,占总成分的21%左右,剩下的1%就是空气中存在的惰性气体以及一些其它的杂质气体。氮气的沸点为-195.8摄氏度(℃),而氧气的沸点为-183℃,因此在分馏的过程中,氮气会先从液态变成气态,因而从液态空气中分离出去。剩下的液体空气的主要成分即为氧气。
利用Design-Expert8.0.6软件对表3进行多元回归拟合，得到山羊发酵乳水解度与菌种添加量/%（X 1）、后熟时间（X 2）、发酵时间（X 3）的二次方程模型为：Y=8.29+0.82X 1-0.069X 2+0.80X 3-0.33X 1X 2+0.57X 1X 3+0.092X 2X 3-1.10X 12-0.81X 22-0.84X 32回归模型的方差分析结果见表4。
我们针对于一个氧气分子来进行计算。氧气分子的质量为约10^-26千克,因此其所受到的重力为10^-25牛顿(N),同时,氧气和其它气体成分经过低温液化后共同形成液态空气,在流动过程中受到流体之间粘滞力的影响,其作用力大小在10^-5N量级。除此之外,还有分子间作用力的影响,但相较于粘滞力的影响,可以忽略不计,因此,在无其它环境影响的条件下,液态氧气所受到的只有粘滞力对其产生的影响较大。只要能克服粘滞力,氧气就会从液态空气中被磁铁吸引出来。
4 优缺分析
而对于超导体,需要产生1000高斯的磁场是轻而易举的事。尤其我们可以将超导体材料制成超导体线,做成通电螺线管的形状,进一步增强了磁场。
我们认为,在能耗方面,利用超导体产生磁场从而使得氧气与液态空气分离的方法相较于传统工业制氧方法所需的能耗更小。从制氧所需的空间大小来讲,新方法占地空间更小。从制造难度上来讲,我们认为新方法的难度与传统方法的难度相差无几,不会给工程制造带来难度。从产物的纯净度来讲,我们认为新方法相较于传统方法能获得更纯净的氧气,因为我们能将氧气中的杂质分离出来。从操作安全性上来说,我们认为新方法更安全。
由方表6可知，农产品价格的方差贡献率100%来自于自身，CPI几乎没有对农产品的价格做出贡献；而农产品价格对CPI的贡献率为59.4%，超过了CPI对自身的贡献率（40.6%）。说明了农产品价格的变动会引起CPI 的同向变动，而CPI的变动不一定会引起农产品价格的变动。
当然,我们也认为新方法存在一些缺点,例如新方法可能会在清洗上带来些许麻烦。其次,液态空气流入的速度也需要掌控。也可能存在一些还没考虑到的问题。
总的来说,我们认为新方法的提出能对传统的工业制氧方法有一个很好的提升和改进,并在多个方面具有优势。
5 结语
我们针对传统工业制氧所使用的深冷空分制氧技术中氧气分离方法提出了新的分离方法。结合传统制氧所要求的低温条件,我们想到了利用超导体和氧气的顺磁性,把氧气成分从液态空气中分离出来。我们也对这个新方法的可行性进行了理论上的计算验证并进行了方案设计。同时我们也对新方法进行了有缺点的分析,经过分析后我们认为这个新方案是优大于劣的。
通过对传统工业制氧新方法的思考,加深了对传统制氧方法的理论掌握,使得我们对超导体以及氧气的理解更加深入,有助于之后的思考与研究。
参考文献
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中图分类号: E91
文献标识码: A
文章编号: 1671-2064(2019)01-0177-02
收稿日期: 2018-11-19
作者简介: 郑庆隆,男,安徽含山人,研究方向:物理。