空气分离技术的发展和改进技术研究

李挺　缪建莉

摘  要： 进入到21世纪以来，伴随着国民经济快速发展，工艺技术的不断完善，社会对各种气体的需求量在不断攀升，各种形式的空气分离技术与设 备被研发并推广。空气分离技术被广泛应用于钢铁冶金、电子化工、航天等领域，可以说在各个工业领域均能看到空气分离设备的身影。在利用空气分离 技术或设备时，应根据不同空气分离技术与设备的使用特点与工艺，选取能够高质量满足需求的技术与设备，防止在使用过程中，过度追求新工艺技术， 又要保证所选用的空气分离技术与设备具有较高的安全性，以达到节约能耗、降低成本的目的。本文对空气分离技术的发展和改进技术进行研究。

关键词： 空气分离技术;发展分析;改进技术

1 空气分离的流程及技术方法

空气含有氮气、氧气、氩气等其它微量气体，不同气体的组分不同， 所具有的理化性质也存在差异，利用空气中不同组分的气体完成某些工艺 流程，满足人们生产需求是进行空气分离的最终目的。传统形式的空气分 离方法主要为非低温法，按照不同的分离装置又可分为膜分离、化学分离 以及变压吸附电能方法，从使用情况来看，传统形式的空气分离方法存在 着提取气体纯度较低、产品产量少等缺点。因此，为进一步满足工业生产 对空气分离的需求，对空气分离技术的发展和改进技术进行探析，有着重 要的意义，对提升气体提纯浓度、降低气体提取成本、提高经济效益具有 重要作用。

2 不同空分工艺流程的特点

2.1  变压吸附工艺流程特点

如图1所示为变压吸附工艺流程。在分离的过程中，首先空气经过空 压机压缩，进入装置内的净化系统，净化系统会将空气所含有的杂质作净 化处理，被净化处理后的空气进入吸附塔，而吸附塔内部填充了各种形式 的吸附剂，这些吸附剂能够有效地将氧（氮）分子吸附，而空气中没有被 吸附剂吸附的氮（氧）分子汇集在塔顶位置，从而获得高纯度的气体。现 阶段，变压吸附常采用A 、B双塔流程，简单来说就是当一组吸附工作开始 时，另一组会进行降压解吸，并通过交替工作，达到连续供气目的，进而 实现对气体的可持续分离。

2.2  膜分离工艺流程特点

膜分离技术是基于气体扩散原理来达到空气分离的目的，由于空气中 各组分气体对膜材料的渗透效果是不一致的，因此，可以利用膜两侧气体 所产生的压力差，得到不同渗透率的气体，进而达到空气分离目的。与变 压吸附空气分离工艺相类似，空气首先经过空压机压缩，然后通过干燥、 过滤等工序对空气作干燥、过滤处理，经处理后的空气进入加热器内，加 热器温度一般设置为50℃左右，加热完成后，空气进入膜分离器。膜分离 器一般为中空纤维膜组，利用膜兩侧存在的压力差，渗透率高的气体由高 压侧向低压侧渗出，进而在膜渗透侧汇集，渗透率低的则滞留在膜的滞留 侧，最终达到分离氧、氮的目的。此外，选择不同的透析膜，能够获取不 同浓度需求的气体。

2.3  低温分离工艺流程特点

低温空气分离技术是指通过对空气的压缩、冷却、净化、增压、热 交换、精馏等操作，基于空气中不同组分气体的沸点，达到空气分离的目 的。低温空气分离技术经过不断的完善与发展，能够满足高中低压各种工况条件下的空气分离需求。近些年来，随着现代工艺技术的不断发展与推 广使用，高中压空气分离技术退出了舞台，而分离效果更佳、操作更加便 捷、成本更低、分离过程更安全的全低压流程成为当下低温条件下空气分 离的首选。按照压缩环节的不同，其分为外压缩与内压缩两种类别。

3 空分工艺流程的选择

按照不同空气分离技术与设备的使用特点，结合实际应用中用户情 况，本着技术可靠、空气分离过程成本低廉、节能等原则，下面对空气分 离工艺装置以及流程的选择进行探讨：（ 1 ）全气态产品的工艺选择。如 果用户对空气分离氧气的浓度要求小于95%，且受到经济条件等因素的限 制，使用的为规模较小的空气分离装置，则可以选择使用变压吸附或低温 精馏空气分离方法。如果用户对氧气产品纯度要求大于95%，则只能选择 使用低温精馏空气分离技术。因为使用膜分离工艺技术与装置所得到的氧 气纯度不高，所以膜分离工艺技术只适用于锅炉富氧燃烧、工业生产中的 污水处理以及医药行业职工对氧气纯度需求不严格的领域。如果用户想要 通过空气分离技术得到纯度较高的氮气产品，则上述空气分离技术均能够 满足需求，但在实际应用中，应注意变压吸附与膜分离技术所得到的氮气 体纯度与气体的提取率呈负相关，所以这两种空气分离技术不能用来分离 大量的纯度高的氮气产品。资料显示，这两种空气分离技术所制取氮气产 品产量在5000Nm3/h以下。与低温精馏空气分离技术相比，非低温精馏技 术在使用时，不能用来制取两种以上气体产品，且制取气体的纯度不能得 到保证，所以，在实际应用中，如果用户对双高产品有需求时，只能采取 低温双塔精馏技术。（ 2 ）液态产品的工艺流程选择。采用非低温空气分 离技术时，不能得到液态形式的气体产品，所以针对有液态气体制取需 求的用户而言，采用低温空气分离技术是必然的选择。（ 3 ）全低压低温 精馏内压缩和外压缩工艺流程选择。如果用户对制取氧气压力的需求小 于3MPa，则用户使用内外压缩两种分离技术均可以满足需求，但相对来 说，外压缩更加节约成本，内压缩安全性更高。如果用户对制取氧气压力 的要求大于3MPa ，则尽量使用内压缩工艺，安全性更高。全低压低温精 馏空气分离技术能够用来制取液氮、液氧产品，但对装置能耗影响较大， 所以在实际的应用中可以结合产品产量选择不同的空气分离装置。研究表 明， 如果液态产品常量大于8%气氧产量， 采用全低压内压缩技术更加合 理，反之使用全低压外压缩工艺。

4 未来发展与展望

当前，提高制取气体产品质量，提升制取的效率，减少分离过程中的 电能、循环水等能耗是学者们研究的重点。随着空分技术的不断创新，特 别是新型高效吸附剂及膜分离材料的不断涌现，空气分离技术与工艺将逐 步侧重于提升压缩机工作效率、改进冷箱物流循环、研发氧氮一体化分离 技术与空气净化防护技术、采用新型分子筛等方面。为了确保空分设备的 稳定性和安全性，仍需要继续深入探索和设计优化其相关设备。

5 结束语

由于各工业领域对氮气、氧气需求存在着不同差异，因此只有对不同 种类的空气分离技术原理与使用特点进行分析，才能帮助我们在满足用户 需求的前提下，选择出更加便捷、高效合理的空气分离技术与工艺，进而促进企业不断提高经济效益。

参考文献：

[1]衣爽.空气分离技术及发展研究[J].天津化工，2018，32（05）：11-13.

[2]刘大勇. 低温空气分离技术的探讨和发展趋势[J]. 石化技术，2018，25 （08）：178+185.

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