淺談空氣分離技術的發(fā)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(fā)展、在一定的規(guī)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(fā)和應用，進一步促進低溫法空分裝置的完善、提高和發(fā)展。

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

2 國內(nèi)空氣低溫分離技術的發(fā)展史

近十年里、我國行業(yè)里有種比較普遍的說法、就是將空分裝置的技術發(fā)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(chǎn)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(chǎn)品忽視了空分工藝和整個空分裝置的創(chuàng)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(fā)展進程、但已經(jīng)不能適應目前的現(xiàn)狀和發(fā)展。

變壓吸附常溫空分技術主要優(yōu)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(xiàn)在工藝流程的改進及新型高效分子篩的開發(fā)上，該技術能夠有效地從空氣中連續(xù)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(chǎn)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(chǎn)氧濃度一般在95%以下，達不到《中國藥典》和《航空及醫(yī)用氧標準》的規(guī)定[2]。

3 空氣低溫分離技術發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 內(nèi)壓縮流程

內(nèi)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(jié)省安裝成本，操作變得方便，簡化控制和其他優(yōu)點。

3.2 全精餾無氫制氬

常規(guī)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(chǎn)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(wěn)定，以及更高質量的氬產(chǎn)品。

3.3 變壓吸附常溫空分技術發(fā)展現(xiàn)狀

由于變壓吸附常溫空分技術對環(huán)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(yè)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(huán)境下作業(yè)時的用氧需求。

4 空氣分離技術的改進

4.1 規(guī)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(wěn)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(chǎn)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(tǒng)優(yōu)化

空氣壓縮機單元和主熱交換器的優(yōu)化是一種改進，因為每個空氣分離設備預期實現(xiàn)的目標是低能耗，高產(chǎn)品質量和高生產(chǎn)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(huán)。同時，它促進了循環(huán)水的循環(huán)，確保了水溫不會過高，降低了各級之間的系統(tǒng)壓力，從而保證了空氣壓縮機組的平穩(wěn)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(chǎn)品的氧氣質量和提取效率。

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