深冷分离法加膜分离法的空气分离装置分析

王 静，丁玉峰

（神华榆林能源化工有限公司，陕西咸阳 719000）

深冷分离法加膜分离法的空气分离装置分析

王 静，丁玉峰

（神华榆林能源化工有限公司，陕西咸阳 719000）

如今，从空气中分离出来的很多气体，如氮气、氧气、氢气等都在被人们越来越广泛的使用。那么，如何从空气中分离出更多更有用的气体来回收利用，从而满足人们的更多需求呢？从深冷分析法、膜分离法两个方面进行分析，通过各自原理寻找两者最佳空气分离装置，从而对空气中各种有效成分进行有效的回收，提高资源的利用效率。

深冷分离法；膜分离法；空气分离装置

Abstract：Today，many of the gases separated from the air，such as nitrogen，oxygen，and hydrogen，are being used more and more widely.So，how to separate more useful gas from the air to recycle，so as to meet people’s more needs? This paper intends to analyze the two methods from the cryosurgical analysis and the membrane separation method，and find the best air separation device through the principle of each principle，so as to effectively recover the various active ingredients in the air and improve the utilization efficiency of the resources.

Key words：cryogenic separation method；membrane separation method；air separation device

资源节约型、环境友好型社会的提出，使得人更加注重对资源的合理及有效利用。深冷分离法加膜分离法都属于通过采取一定的方式和手段对空气进行某种分离，使得空气中的有效气体得到最大程度的分离与利用，从而满足社会生产的巨大需要，同时也能促进资源的有效利用。它们工作的原理不同，采用的方式不一样，但是在促进气体的有效分离方面都起了至关重要的巨大作用。

1 深冷分离法–通过一种机械的手段来分离气体的方法

深冷分离法，简单的讲即为通过不同的温度来最大程度的对气体进行分离。主要是采取一种机械性的方式，例如通过不同手段让气体实现膨胀，再根据各种不同气体各自的沸点不同，对它们再进行降温冷却。不同的气体通过这种方式实现了较为精准的分离。在我国，制取氧气的80%都是来源于这种方法。这种方法分离出的气体精度相对较高，但是在分离过程当中的成本也较大。这种方法比较适合空气中比重较大气体含量的分离，比如氮气和氧气的制取就非常适合，而在分离在空气中所占比重较小的气体时则显示出他的不足与局限性。尽管我们当前在改进技术管理等方面一直在努力，也取得了不小的成就，但是水平仍有待于进一步的提高。

2 膜分离法–通过各种分子在膜表面附着和溶解扩散的不同来分离气体的方法

膜分离法，相对于现有的空气分离技术，它则属于新一代的气体分离技术。主要是通过运用一定的压力，依据在气体中待分离出的气体分子在其膜表面的附着及溶解扩散存在的各种不同，使气体中的各种成分进行有效的分离。它和深冷分离法相比，主要特色在于它绝无任何化学反应出现，不使用任何化学添加，同时成本较低，能源的消耗较少，它适应性也较为强大，装置水平的配置规模大小要求也较低，安全系数高，可信赖度较高，当然应用也比较广泛。在当前社会，这种技术相对也已经比较成熟，并且在很多气体分离的领域也被广泛应用。同时，这项技术带来的巨大的经济和社会效益也已经成为分离技术中最重要的手段之一。它被发达国家所称赞，认为其创造性再造了更多的可用资源，是一项人类为之自豪的技术进步。

膜分离法在不断发展，膜的材质也在不断的更新换代。膜所用的材料包括各种天然材料，例如各种纤维素的衍生物等，也包括人造材料，如各种合成高聚物，还有一些特殊材料。近年来，有开发研制了一些新兴的膜材料，如复合膜、纳米材质的过滤膜，功能高分子膜等。有关学者也曾预测，在膜上的创新与突破，将会成为影响该项技术的关键。

3 深冷分离法加膜分离法的空气分离装置

3.1 深冷分离法基本原理及其对应的空气分离装置

深冷分离法在空气分离上，工作原理较为简单。它把空气作为原料，经过一系列的程序，包括大幅度的浓缩、有步骤的净化，以及还要使用热交换的方法使空气液化成液态的空气。大致如下：空气在进入压缩机之前要先通过空气的过滤装置进行过滤，使其更加纯净后再进入空气压缩装置中，压缩到了具有合适压力后再进入空气的冷却装置中，使空气的温度迅速地降低。在此基础之上，再对空气进行干燥处理，可以通过空气干燥净化器来进行，使空气中一些不被需要的物质被清除，比如所含的水分、二氧化碳等物质。在空气分离的装置的设置中，也必须要保障两种流液被很好的处理和收集。一方面，空气被净化后要保证其进入空气分离装置中的主换热增热容器中，未获得通过的，即返回来的液态气体通过冷却装置达到最佳温度时，再送入净化蒸馏容器的底部，在容器上部能够充分搜集氮气，在底部的液态空气再进行冷凝，通过一系列的冷凝装置进行冷凝蒸发，氮气最终被冷凝，部分最后对滞留的液体进行分节设置。当然，也可以把它再次流入主要的换热增热容器中，之后到达一定程度进入膨胀的容器中进行膨胀，降温，一部分的气体可以被再分离和再次的利用，其他的部分也会被排入大气。由此可以看出，要建立空气分离装置，一方面做到空气的深度压制缩小并对空气进行彻底的净化；另一方面即是空气的最终分离。当然，从空气分离出来的液态氮气也应有专门的容器进行液态的贮藏和运输。在对其设备进行检查时，必须要确保液态氮气的密封性好，安全的进入对应的容器里。

3.2 膜分离法基本原理及其对应的空气分离装置

在从分子角度学讲，膜分离法是指不同颗粒的半径分子的混合物再通过膜时，进行不断选择和分离的技术方法，同时具有对气体所包含物质进行不间断分离、高质量的浓缩、大幅度的纯化和精致等功能，包括电渗析，反渗透、超滤以及渗析等。其工作原理主要是利用气体中所包含的高分子膜的特性，即有选择性的透过将所含的某些微小颗粒，如分子、离子或某些被选择透过的细小微粒等从分离出来。在有选择透过的同时，通过一定的方式给予它加一定的压力，之后原液沿着具有过滤作用的膜的表面，以一定的速度流过，大于具有过滤作用的膜的分子不能流过，则只能继续回到原处，而对于那些小于具有过滤作用的膜的分子则可以顺利通过，形成新的出口。由此可见，在分离的过程中，膜起着非常重要的作用。特别是在空气分离过程中，膜两侧渗透物质的分压差使气体物质不断的被分离。

在应用的过程中，如要把氮气从空气中彻底地分离出来，压缩的空气首先要通过装置中间为空的纤维膜，就在通过这层膜的同时，空气中所包含的大量的气体，如氧气、二氧化碳、一氧化碳和水蒸气等物质会通过这层纤维膜的管道缝隙，进入到大气之中得以排放。同时在该膜的出口处，把分子尺寸较大的氮气分子和氩气全部收集起来，进入到相关的应用设备里面。通过这种方式提取氮气的最高纯度高达99.5%以上，纯度相对较高。当然，要把氮气、氧气等从空气中分离出来，也可以通过改变压力来吸附的技术进行。这种技术是通过固体状态的介质来分离空气中的各种成分，所需的固体状态的介质就是主要成分为碳的分子筛。这种分子筛本身就具有多孔、疏松的特点，所以，首先要将压缩的空气充入充满碳元素的分子筛的密封容器中，由于压缩空气的主要成分是氮气、氧气和少量的氩气和水蒸气。再加上氮气和氧气由于其分子的尺寸各不相同存在差异，作为吸附力较强的碳元素的分子筛会首先吸附里面所含的水蒸气和氧气，即让分子尺寸较小的颗粒进入，而氮气由于分子尺寸较大，不能被吸附，必然会被保留。这样，通过这种装置也能实现了空气中有效气体的分离。

随着膜技术的迅速发展，也为我们实现空气分离提供了更好的保障。从膜材质的不断变化和创新到技术的不断进步和提高，从我国的明显落后到现在所能做出的重大成就，无一不是喜悦。随着技术的不断发展，相信空气分离装置也会越来越完善，分离的纯度也会越来越高。

4 结语

面临当今社会资源的极度紧张，已完全不能满足人们需求的现实，作为在已有物质的基础上有计划地进行分离显得尤为重要。希望通过所研究的深冷分离法、膜分离法的理论观点给大家以启示和鼓励。也希望大家能够共同努力，为资源的再利用、创造性地利用做出我们自己的努力，让我们的资源更充分，让我们的生活更美好。

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Analysis of Air Separation Device by Deep-cooling Separation and Membrane Separation

Wang Jing，Ding Yu-feng

TQ116.11

A

1003–6490（2017）09–0208–02

2017–06–12

王静（1988—），女，陕西咸阳人，助理工程师，主要从事煤化工工作。