空氣分離技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)技術(shù)研究

李挺　繆建莉

摘? 要： 進(jìn)入到21世紀(jì)以來，伴隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工藝技術(shù)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(shù)與設(shè) 備被研發(fā)并推廣?？諝夥蛛x技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金、電子化工、航天等領(lǐng)域，可以說在各個工業(yè)領(lǐng)域均能看到空氣分離設(shè)備的身影。在利用空氣分離 技術(shù)或設(shè)備時，應(yīng)根據(jù)不同空氣分離技術(shù)與設(shè)備的使用特點與工藝，選取能夠高質(zhì)量滿足需求的技術(shù)與設(shè)備，防止在使用過程中，過度追求新工藝技術(shù)， 又要保證所選用的空氣分離技術(shù)與設(shè)備具有較高的安全性，以達(dá)到節(jié)約能耗、降低成本的目的。本文對空氣分離技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞： 空氣分離技術(shù);發(fā)展分析;改進(jìn)技術(shù)

1 空氣分離的流程及技術(shù)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(zhì)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(chǎn)需求是進(jìn)行空氣分離的最終目的。傳統(tǒng)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(xué)分離 以及變壓吸附電能方法，從使用情況來看，傳統(tǒng)形式的空氣分離方法存在 著提取氣體純度較低、產(chǎn)品產(chǎn)量少等缺點。因此，為進(jìn)一步滿足工業(yè)生產(chǎn) 對空氣分離的需求，對空氣分離技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)技術(shù)進(jìn)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(jīng)濟(jì)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(jīng)過空 壓機(jī)壓縮，進(jìn)入裝置內(nèi)的凈化系統(tǒng)，凈化系統(tǒng)會將空氣所含有的雜質(zhì)作凈 化處理，被凈化處理后的空氣進(jìn)入吸附塔，而吸附塔內(nèi)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(xiàn) 階段，變壓吸附常采用A 、B雙塔流程，簡單來說就是當(dāng)一組吸附工作開始 時，另一組會進(jìn)行降壓解吸，并通過交替工作，達(dá)到連續(xù)供氣目的，進(jìn)而 實現(xiàn)對氣體的可持續(xù)分離。

2.2? 膜分離工藝流程特點

膜分離技術(shù)是基于氣體擴(kuò)散原理來達(dá)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(cè)氣體 所產(chǎn)生的壓力差，得到不同滲透率的氣體，進(jìn)而達(dá)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(jīng)過空壓機(jī)壓縮，然后通過干燥、 過濾等工序?qū)諝庾鞲稍?、過濾處理，經(jīng)處理后的空氣進(jìn)入加熱器內(nèi)，加 熱器溫度一般設(shè)置為50℃左右，加熱完成后，空氣進(jìn)入膜分離器。膜分離 器一般為中空纖維膜組，利用膜兩側(cè)存在的壓力差，滲透率高的氣體由高 壓側(cè)向低壓側(cè)滲出，進(jìn)而在膜滲透側(cè)匯集，滲透率低的則滯留在膜的滯留 側(cè)，最終達(dá)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(shù)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(dá)到空氣分離的目 的。低溫空氣分離技術(shù)經(jīng)過不斷的完善與發(fā)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(xiàn)代工藝技術(shù)的不斷發(fā)展與推 廣使用，高中壓空氣分離技術(shù)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(dāng)下低溫條件下空氣分 離的首選。按照壓縮環(huán)節(jié)的不同，其分為外壓縮與內(nèi)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(shù)與設(shè)備的使用特點，結(jié)合實際應(yīng)用中用戶情 況，本著技術(shù)可靠、空氣分離過程成本低廉、節(jié)能等原則，下面對空氣分 離工藝裝置以及流程的選擇進(jìn)行探討：（ 1 ）全氣態(tài)產(chǎn)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(jīng)濟(jì)條件等因素的限 制，使用的為規(guī)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(chǎn)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(shù)。因為使用膜分離工藝技術(shù)與裝置所得到的氧 氣純度不高，所以膜分離工藝技術(shù)只適用于鍋爐富氧燃燒、工業(yè)生產(chǎn)中的 污水處理以及醫(yī)藥行業(yè)職工對氧氣純度需求不嚴(yán)格的領(lǐng)域。如果用戶想要 通過空氣分離技術(shù)得到純度較高的氮氣產(chǎn)品，則上述空氣分離技術(shù)均能夠 滿足需求，但在實際應(yīng)用中，應(yīng)注意變壓吸附與膜分離技術(shù)所得到的氮氣 體純度與氣體的提取率呈負(fù)相關(guān)，所以這兩種空氣分離技術(shù)不能用來分離 大量的純度高的氮氣產(chǎn)品。資料顯示，這兩種空氣分離技術(shù)所制取氮氣產(chǎn) 品產(chǎn)量在5000Nm3/h以下。與低溫精餾空氣分離技術(shù)相比，非低溫精餾技 術(shù)在使用時，不能用來制取兩種以上氣體產(chǎn)品，且制取氣體的純度不能得 到保證，所以，在實際應(yīng)用中，如果用戶對雙高產(chǎn)品有需求時，只能采取 低溫雙塔精餾技術(shù)。（ 2 ）液態(tài)產(chǎn)品的工藝流程選擇。采用非低溫空氣分 離技術(shù)時，不能得到液態(tài)形式的氣體產(chǎn)品，所以針對有液態(tài)氣體制取需 求的用戶而言，采用低溫空氣分離技術(shù)是必然的選擇。（ 3 ）全低壓低溫 精餾內(nèi)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(nèi)外壓縮兩種分離技術(shù)均可以滿足需求，但相對來 說，外壓縮更加節(jié)約成本，內(nèi)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(nèi)壓縮工藝，安全性更高。全低壓低溫精 餾空氣分離技術(shù)能夠用來制取液氮、液氧產(chǎn)品，但對裝置能耗影響較大， 所以在實際的應(yīng)用中可以結(jié)合產(chǎn)品產(chǎn)量選擇不同的空氣分離裝置。研究表 明， 如果液態(tài)產(chǎn)品常量大于8%氣氧產(chǎn)量， 采用全低壓內(nèi)壓縮技術(shù)更加合 理，反之使用全低壓外壓縮工藝。

4 未來發(fā)展與展望

當(dāng)前，提高制取氣體產(chǎn)品質(zhì)量，提升制取的效率，減少分離過程中的 電能、循環(huán)水等能耗是學(xué)者們研究的重點。隨著空分技術(shù)的不斷創(chuàng)新，特 別是新型高效吸附劑及膜分離材料的不斷涌現(xiàn)，空氣分離技術(shù)與工藝將逐 步側(cè)重于提升壓縮機(jī)工作效率、改進(jìn)冷箱物流循環(huán)、研發(fā)氧氮一體化分離 技術(shù)與空氣凈化防護(hù)技術(shù)、采用新型分子篩等方面。為了確?？辗衷O(shè)備的 穩(wěn)定性和安全性，仍需要繼續(xù)深入探索和設(shè)計優(yōu)化其相關(guān)設(shè)備。

5 結(jié)束語

由于各工業(yè)領(lǐng)域?qū)Φ獨?、氧氣需求存在著不同差異，因此只有對不?種類的空氣分離技術(shù)原理與使用特點進(jìn)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(shù)與工藝，進(jìn)而促進(jìn)企業(yè)不斷提高經(jīng)濟(jì)效益。

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