淺談空氣分離技術的發展和改進

李學蛟

天津捷能昂科技有限公司 天津 300000

1 空氣分離技術的方法

空氣分離的方法分為低溫和非低溫兩種、其中非低溫空氣分離方法包括變壓吸附、膜分離、化學分離等。盡管變壓吸附法（PSA法）、薄膜分離法等在過去十年中得到了長足的發展、在一定的規模和使用條件下已成了低溫法空氣分離裝置的強勁對手，但由于這幾種方法的固有缺點、使它們在很多應用領域是無法與低溫法空氣分離裝置相匹敵的。由于低溫法的地位是無法取代和不會動搖的、一些對氧、氮需求量更大的新的工藝技術的開發和應用，進一步促進低溫法空分裝置的完善、提高和發展。

低溫分離在大量生產氧氣和氮氣液體產品，特別是高純度產品方面具有不可逾越的競爭優勢，只有低溫分離同時產生惰性氣體產品，同時生產氬等稀有氣體產品的能力、因此低溫方法在空氣分離的工業應用中起著非常重要的作用[1]。

2 國內空氣低溫分離技術的發展史

近十年里、我國行業里有種比較普遍的說法、就是將空分裝置的技術發展分成幾代：采用高壓低壓工藝的空氣分離裝置和鋁卷筒再生裝置是第一代；采用完美低壓工藝的空氣分離裝置，鋁卷筒再生裝置或石材再生裝置是完美的低壓工藝產品氣體的采用卷石再生器空分裝置是第三代，采用全低壓工藝和板翅式主換熱器的空分裝置是第四代，全低壓工藝，室溫分子篩吸附凈化加壓渦輪膨脹裝置和DCS控制的空氣分離裝置屬于第5代，使用結構化填充頂塔和總精餾氬的空氣分離裝置屬于第6代。從第四代到部分空分裝置以及對空分工藝的一些改進，這類產品忽視了空分工藝和整個空分裝置的創新和改進，雖然確實較正確地概括了過去一些年里空分裝置的技術發展進程、但已經不能適應目前的現狀和發展。

變壓吸附常溫空分技術主要優點包括應用靈活、資金投入較低、能源消耗較少以及自動化水平較高等，尤其是在常溫空分技術領域占重要地位。變壓吸附空分技術的進展主要體現在工藝流程的改進及新型高效分子篩的開發上，該技術能夠有效地從空氣中連續提取純度較高的氮氣和氧氣。由于氧氣分子和氬氣分子的物理尺寸相近，故制取氧氣的同時也會將氬氣富集，導致產品氣中始終含有5%左右的氬氣。因此基于變壓吸附原理的分子篩制氧機產氧濃度一般在95%以下，達不到《中國藥典》和《航空及醫用氧標準》的規定[2]。

3 空氣低溫分離技術發展現狀

3.1 內壓縮流程

內部壓縮過程有一些主要的好處。通過用液氧泵和干式空氣增壓器，或液氧泵和高壓空氣壓縮機替換昂貴的氧氣渦輪壓縮機，可以減少投資。液氧泵和空氣增壓器的備件低于氧氣壓縮機的備件，可以降低維護成本；液氧泵壓縮后，沒有高溫氧氣和氧氣，安全性也很好你是更可靠；在用干空氣增壓器更換氧氣渦輪壓縮機后，渦輪增壓器可與進料空氣壓縮機組合形成一個單元，從而減少占地面積并節省安裝成本，操作變得方便，簡化控制和其他優點。

3.2 全精餾無氫制氬

常規方法通過低溫精餾得到純化氬，通過加氫脫氧獲得氬，通過低溫精餾除去工藝氬中的氮，最后得到產物氬風險很高，氫化和脫氧過程控制復雜且不可靠。結構填充柱的外觀允許通過全蒸餾分離氧氣和氬氣，簡化工藝流程，操作方便，安全和穩定，以及更高質量的氬產品。

3.3 變壓吸附常溫空分技術發展現狀

由于變壓吸附常溫空分技術對環境依賴性較小，在軍事上的應用比較廣泛。例各種軍輔船安裝有部分變壓吸附技術的裝備來制取氮氣，可滿足艦船上油庫的抑燃、防爆、吹掃等特殊作業要求；小型軍用分子篩制氧機還可以制取普氧，以滿足官兵在高原低氧環境下作業時的用氧需求。

4 空氣分離技術的改進

4.1 規整填料技術

結構填料技術效率高，壓力不是篩板，使其成為空氣低溫精餾過程中最重要的技術。首先，結構化填充柱用于降低下，上和氬柱的操作壓力，并有效地分離氧氣和氬氣。其次，填充柱的直徑小于篩板的直徑，這使得運輸非常容易。最后，將結構填料塔應用于低溫精餾不僅提高了安全性，而且使分離穩定性更強，更易于操作，簡化了空氣分離過程，獲得高質量的氬產品[3]。

4.2 變壓吸附常溫空分技術

變壓吸附制氧技術在不同壓力下利用空氣中不同的氣體成分，吸附劑的吸附能力不同，分離空氣中的不同氣體，空氣主要由氧氣和氮氣組成。所以選擇是不同的。吸附和分離吸附劑，通過一系列步驟分離空氣中的氧氣以獲得氧氣。

4.3 系統優化

空氣壓縮機單元和主熱交換器的優化是一種改進，因為每個空氣分離設備預期實現的目標是低能耗，高產品質量和高生產效率。通過及時清潔或更換空氣壓縮機單元入口處的過濾器，可以有效地減少空氣阻力并且可以增加空氣循環。同時，它促進了循環水的循環，確保了水溫不會過高，降低了各級之間的系統壓力，從而保證了空氣壓縮機組的平穩運行。溫度差的有效控制是解決該問題的關鍵，因為主熱交換器中的溫差過大會導致能量消耗增加。如果熱端之間的溫差很大，則由于不完全熱交換造成的損失很大，因此主熱交換器的氣體排放由高壓低壓熱交換器合理分配，熱端的溫差也很大，可以最小化并有效減少，空氣分離裝置的能量消耗改善了產品的氧氣質量和提取效率。

低溫空氣分離技術是制備工業氣體的主要方法，目前已經有了很大的發展。研究，勘探，擴建，設計和改進將繼續接管新的階段，以最大限度地提高設備的穩定性和安全性。