淺析空分裝置工藝流程的選擇

李朝榮（內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司,內蒙古 赤峰 025350）

1 空氣分離工藝簡述

我國的空氣分離技術具有悠久的發展歷史，在早期常用的工藝為低溫深冷分離工藝，但隨著技術的發展，結合國內空氣分離裝置的現狀，目前主要存在的空氣分離工藝有三種，分別是：變壓吸附工藝、膜分離工藝、低溫精餾工藝。

1.1 變壓吸附工藝

變壓吸附工藝主要使用了分子篩作為吸附劑，通過壓力的改變，空氣原料中的氮氧分子在分子篩的作用下，形成吸附力差異。經過一段時間之后即可實現氮氧分子的分離（吸附相富集和氣體相富集），隨即進行氮氧分子的卸壓（變壓過程），分子篩在卸掉氮氧分子之后可以循環使用。這種通過分子篩吸附并改變壓力收放氮氧分子的工藝，就被稱之為“變壓吸附工藝”。

在實際的生產流程中，還需要進行空氣凈化環節，去掉空氣中存在的雜質，并送入緩沖罐等操作。變壓吸附工藝的造作流程并不復雜，但獲取的氮氧產品質量較低。

1.2 膜分離工藝

從原理上來說，膜分離技術應用的擴散原理，即根據氣體在膜中溶解和擴散的系數差異，實現不同的滲透速度來實現空氣成分的分離。不難看出，分離膜的性能好壞，決定了空氣分離工藝的水平。空氣原料在膜的兩側作用，滲透率快的部分與滲透率慢的部分實行自然分離，但為了保障產率，一般會使用催化劑；實際生產過程中依然要先通過凈化預處理系統。

膜分離工藝是所有工藝類型中最靈活的，通過更換不同的纖維材質膜，就可以得到不同種類和純度的氣體產品。實踐研究證明，膜分離工藝所面臨的壓力越大，產量就越大，因此發展纖維膜技術是這一工藝的核心問題。

1.3 低溫精餾工藝

低溫精餾工藝是低溫深冷空氣分離工藝的升級版，其原理是利用空氣中氮氧分子的物理特性不同來實現的。氧分子和氮分子的沸點不同，在高壓低溫的情況下首先對空氣進行液化，隨后經過精餾，傳熱分離已經轉化為液態的空氣，從而分離氧分子和氮分子。

這一工藝在實際的應用中保留了大量的傳統手段，如空氣壓縮機、凈化裝置、熱交換系統以及精餾系統等等。

相比較前兩種工藝而言，低溫精餾工藝具有很明顯的特點，即可以實現產品的高純度性。

低溫精餾工藝受到新工藝的沖擊，主要是由于其自身的流程較為復雜，裝置啟動時間過長等缺陷。尤其是裝置本身造成的不便性，包括空氣壓縮機、凈化器、熱交換系統等等，初始化投資成本要遠遠高于分子篩和膜分離工藝。

但不可否認的是，要獲得高純度的氮、氧產品（尤其是液態產品），在常溫下是無法實現的，低溫深冷工藝依然是不可或缺的。

2 空分裝置工藝流程的選擇

空氣分離裝置的應用范圍廣泛，品種多樣，不同的行業在選擇的過程中，要根據自身的需求確定。在了解了主要的空氣分離裝置工藝原理之后，還要確定用戶究竟要生產怎樣形態的產品（液態或氣體），作者做出了如下的選擇建議。

2.1 液態產品生產的工藝選擇

空分裝置及流程所對應的原料是氣體形態，轉化液體形態需要高壓、低溫等條件。綜合以上工藝的特點，不難判斷出，要得到液態產品低溫精餾工藝是最佳的選擇。這是因為，非低溫狀態下，盡管可以利用分子篩或者分離膜得到氮氧分子的集合，但在一個大氣壓的狀態下，氧氣（純氧）的沸點是90.17K(-182.98℃),氮氣（純氮）的沸點是77.35K(-195.80℃),根本無法形成液態形式。

因此，要獲得液態產品，必須對溫度和壓力做出考量，同時液態產品的存儲工藝要求也十分嚴格，這與生產工藝實現對接需要嚴格的條件。

2.2 氣態產品生產的工藝選擇

氣態產品的生產流程選擇度很大，除了非低溫精餾工藝之外，更多的用到了分子篩和分離膜，這兩種工藝都可以實現循環生產，節約成本。但缺點是無法獲得純度較高的產品。

對于一些要求純度較高的氣態產品，主要采用全低壓空分低溫雙塔精餾工藝。原因就在于，吸附、膜分離以及其他工藝雖然可以實現空分目的，但在高純度方面的提取存在天然缺陷（工藝限制），全低壓空分低溫雙塔精餾工藝可以實現純度99.99%級別的工藝水準。

3 結語

通過以上內容介紹，對國內當前主要的空分工藝進行了分析，當前的空分裝置工藝呈現出“新舊混雜”的局面。一方面，新工藝的出現大大提升了空分裝置工藝的產量，節約成本，提高效率；但另一方面，新工藝還無法完全代替傳統工藝，為了獲取高純度的產品，傳統工藝依然具有發展前景。綜合以上的研究成果，我國未來的空分裝置工藝發展還有待進一步的提升，注意結合各自優點，從流程體系入手，滿足經濟發展需要和環境生態需要。

[1]黃曉江.空分裝置技術改造探討[J].煤化工,2003,02:20-23.

[2]陳明敏.空分裝置變氧氣量生產的探討[J].深冷技術,2002,05:8-12.

[3]胡志強,沈慶春.煤化工空分裝置安全運行論壇[J].通用機械,2009,09:12-21.

[4]廖正強.簡析空分裝置工藝技術路線的分析及比選[J].科技創新與應用,2014,14:78.

[5]陳松華.空分裝置的控制系統及應用[J].石油化工自動化,2010,06:24-27.