空氣分離技術的發展和改進技術研究

李挺　繆建莉

摘? 要： 進入到21世紀以來，伴隨著國民經濟快速發展，工藝技術的不斷完善，社會對各種氣體的需求量在不斷攀升，各種形式的空氣分離技術與設 備被研發并推廣。空氣分離技術被廣泛應用于鋼鐵冶金、電子化工、航天等領域，可以說在各個工業領域均能看到空氣分離設備的身影。在利用空氣分離 技術或設備時，應根據不同空氣分離技術與設備的使用特點與工藝，選取能夠高質量滿足需求的技術與設備，防止在使用過程中，過度追求新工藝技術， 又要保證所選用的空氣分離技術與設備具有較高的安全性，以達到節約能耗、降低成本的目的。本文對空氣分離技術的發展和改進技術進行研究。

關鍵詞： 空氣分離技術;發展分析;改進技術

1 空氣分離的流程及技術方法

空氣含有氮氣、氧氣、氬氣等其它微量氣體，不同氣體的組分不同， 所具有的理化性質也存在差異，利用空氣中不同組分的氣體完成某些工藝 流程，滿足人們生產需求是進行空氣分離的最終目的。傳統形式的空氣分 離方法主要為非低溫法，按照不同的分離裝置又可分為膜分離、化學分離 以及變壓吸附電能方法，從使用情況來看，傳統形式的空氣分離方法存在 著提取氣體純度較低、產品產量少等缺點。因此，為進一步滿足工業生產 對空氣分離的需求，對空氣分離技術的發展和改進技術進行探析，有著重 要的意義，對提升氣體提純濃度、降低氣體提取成本、提高經濟效益具有 重要作用。

2 不同空分工藝流程的特點

2.1? 變壓吸附工藝流程特點

如圖1所示為變壓吸附工藝流程。在分離的過程中，首先空氣經過空 壓機壓縮，進入裝置內的凈化系統，凈化系統會將空氣所含有的雜質作凈 化處理，被凈化處理后的空氣進入吸附塔，而吸附塔內部填充了各種形式 的吸附劑，這些吸附劑能夠有效地將氧（氮）分子吸附，而空氣中沒有被 吸附劑吸附的氮（氧）分子匯集在塔頂位置，從而獲得高純度的氣體。現 階段，變壓吸附常采用A 、B雙塔流程，簡單來說就是當一組吸附工作開始 時，另一組會進行降壓解吸，并通過交替工作，達到連續供氣目的，進而 實現對氣體的可持續分離。

2.2? 膜分離工藝流程特點

膜分離技術是基于氣體擴散原理來達到空氣分離的目的，由于空氣中 各組分氣體對膜材料的滲透效果是不一致的，因此，可以利用膜兩側氣體 所產生的壓力差，得到不同滲透率的氣體，進而達到空氣分離目的。與變 壓吸附空氣分離工藝相類似，空氣首先經過空壓機壓縮，然后通過干燥、 過濾等工序對空氣作干燥、過濾處理，經處理后的空氣進入加熱器內，加 熱器溫度一般設置為50℃左右，加熱完成后，空氣進入膜分離器。膜分離 器一般為中空纖維膜組，利用膜兩側存在的壓力差，滲透率高的氣體由高 壓側向低壓側滲出，進而在膜滲透側匯集，滲透率低的則滯留在膜的滯留 側，最終達到分離氧、氮的目的。此外，選擇不同的透析膜，能夠獲取不 同濃度需求的氣體。

2.3? 低溫分離工藝流程特點

低溫空氣分離技術是指通過對空氣的壓縮、冷卻、凈化、增壓、熱 交換、精餾等操作，基于空氣中不同組分氣體的沸點，達到空氣分離的目 的。低溫空氣分離技術經過不斷的完善與發展，能夠滿足高中低壓各種工況條件下的空氣分離需求。近些年來，隨著現代工藝技術的不斷發展與推 廣使用，高中壓空氣分離技術退出了舞臺，而分離效果更佳、操作更加便 捷、成本更低、分離過程更安全的全低壓流程成為當下低溫條件下空氣分 離的首選。按照壓縮環節的不同，其分為外壓縮與內壓縮兩種類別。

3 空分工藝流程的選擇

按照不同空氣分離技術與設備的使用特點，結合實際應用中用戶情 況，本著技術可靠、空氣分離過程成本低廉、節能等原則，下面對空氣分 離工藝裝置以及流程的選擇進行探討：（ 1 ）全氣態產品的工藝選擇。如 果用戶對空氣分離氧氣的濃度要求小于95%，且受到經濟條件等因素的限 制，使用的為規模較小的空氣分離裝置，則可以選擇使用變壓吸附或低溫 精餾空氣分離方法。如果用戶對氧氣產品純度要求大于95%，則只能選擇 使用低溫精餾空氣分離技術。因為使用膜分離工藝技術與裝置所得到的氧 氣純度不高，所以膜分離工藝技術只適用于鍋爐富氧燃燒、工業生產中的 污水處理以及醫藥行業職工對氧氣純度需求不嚴格的領域。如果用戶想要 通過空氣分離技術得到純度較高的氮氣產品，則上述空氣分離技術均能夠 滿足需求，但在實際應用中，應注意變壓吸附與膜分離技術所得到的氮氣 體純度與氣體的提取率呈負相關，所以這兩種空氣分離技術不能用來分離 大量的純度高的氮氣產品。資料顯示，這兩種空氣分離技術所制取氮氣產 品產量在5000Nm3/h以下。與低溫精餾空氣分離技術相比，非低溫精餾技 術在使用時，不能用來制取兩種以上氣體產品，且制取氣體的純度不能得 到保證，所以，在實際應用中，如果用戶對雙高產品有需求時，只能采取 低溫雙塔精餾技術。（ 2 ）液態產品的工藝流程選擇。采用非低溫空氣分 離技術時，不能得到液態形式的氣體產品，所以針對有液態氣體制取需 求的用戶而言，采用低溫空氣分離技術是必然的選擇。（ 3 ）全低壓低溫 精餾內壓縮和外壓縮工藝流程選擇。如果用戶對制取氧氣壓力的需求小 于3MPa，則用戶使用內外壓縮兩種分離技術均可以滿足需求，但相對來 說，外壓縮更加節約成本，內壓縮安全性更高。如果用戶對制取氧氣壓力 的要求大于3MPa ，則盡量使用內壓縮工藝，安全性更高。全低壓低溫精 餾空氣分離技術能夠用來制取液氮、液氧產品，但對裝置能耗影響較大， 所以在實際的應用中可以結合產品產量選擇不同的空氣分離裝置。研究表 明， 如果液態產品常量大于8%氣氧產量， 采用全低壓內壓縮技術更加合 理，反之使用全低壓外壓縮工藝。

4 未來發展與展望

當前，提高制取氣體產品質量，提升制取的效率，減少分離過程中的 電能、循環水等能耗是學者們研究的重點。隨著空分技術的不斷創新，特 別是新型高效吸附劑及膜分離材料的不斷涌現，空氣分離技術與工藝將逐 步側重于提升壓縮機工作效率、改進冷箱物流循環、研發氧氮一體化分離 技術與空氣凈化防護技術、采用新型分子篩等方面。為了確保空分設備的 穩定性和安全性，仍需要繼續深入探索和設計優化其相關設備。

5 結束語

由于各工業領域對氮氣、氧氣需求存在著不同差異，因此只有對不同 種類的空氣分離技術原理與使用特點進行分析，才能幫助我們在滿足用戶 需求的前提下，選擇出更加便捷、高效合理的空氣分離技術與工藝，進而促進企業不斷提高經濟效益。

參考文獻：

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