浅谈空气分离技术的发展和改进

李学蛟

天津捷能昂科技有限公司 天津 300000

1 空气分离技术的方法

空气分离的方法分为低温和非低温两种、其中非低温空气分离方法包括变压吸附、膜分离、化学分离等。尽管变压吸附法（PSA法）、薄膜分离法等在过去十年中得到了长足的发展、在一定的规模和使用条件下已成了低温法空气分离装置的强劲对手，但由于这几种方法的固有缺点、使它们在很多应用领域是无法与低温法空气分离装置相匹敌的。由于低温法的地位是无法取代和不会动摇的、一些对氧、氮需求量更大的新的工艺技术的开发和应用，进一步促进低温法空分装置的完善、提高和发展。

低温分离在大量生产氧气和氮气液体产品，特别是高纯度产品方面具有不可逾越的竞争优势，只有低温分离同时产生惰性气体产品，同时生产氩等稀有气体产品的能力、因此低温方法在空气分离的工业应用中起着非常重要的作用[1]。

2 国内空气低温分离技术的发展史

近十年里、我国行业里有种比较普遍的说法、就是将空分装置的技术发展分成几代：采用高压低压工艺的空气分离装置和铝卷筒再生装置是第一代；采用完美低压工艺的空气分离装置，铝卷筒再生装置或石材再生装置是完美的低压工艺产品气体的采用卷石再生器空分装置是第三代，采用全低压工艺和板翅式主换热器的空分装置是第四代，全低压工艺，室温分子筛吸附净化加压涡轮膨胀装置和DCS控制的空气分离装置属于第5代，使用结构化填充顶塔和总精馏氩的空气分离装置属于第6代。从第四代到部分空分装置以及对空分工艺的一些改进，这类产品忽视了空分工艺和整个空分装置的创新和改进，虽然确实较正确地概括了过去一些年里空分装置的技术发展进程、但已经不能适应目前的现状和发展。

变压吸附常温空分技术主要优点包括应用灵活、资金投入较低、能源消耗较少以及自动化水平较高等，尤其是在常温空分技术领域占重要地位。变压吸附空分技术的进展主要体现在工艺流程的改进及新型高效分子筛的开发上，该技术能够有效地从空气中连续提取纯度较高的氮气和氧气。由于氧气分子和氩气分子的物理尺寸相近，故制取氧气的同时也会将氩气富集，导致产品气中始终含有5%左右的氩气。因此基于变压吸附原理的分子筛制氧机产氧浓度一般在95%以下，达不到《中国药典》和《航空及医用氧标准》的规定[2]。

3 空气低温分离技术发展现状

3.1 内压缩流程

内部压缩过程有一些主要的好处。通过用液氧泵和干式空气增压器，或液氧泵和高压空气压缩机替换昂贵的氧气涡轮压缩机，可以减少投资。液氧泵和空气增压器的备件低于氧气压缩机的备件，可以降低维护成本；液氧泵压缩后，没有高温氧气和氧气，安全性也很好你是更可靠；在用干空气增压器更换氧气涡轮压缩机后，涡轮增压器可与进料空气压缩机组合形成一个单元，从而减少占地面积并节省安装成本，操作变得方便，简化控制和其他优点。

3.2 全精馏无氢制氩

常规方法通过低温精馏得到纯化氩，通过加氢脱氧获得氩，通过低温精馏除去工艺氩中的氮，最后得到产物氩风险很高，氢化和脱氧过程控制复杂且不可靠。结构填充柱的外观允许通过全蒸馏分离氧气和氩气，简化工艺流程，操作方便，安全和稳定，以及更高质量的氩产品。

3.3 变压吸附常温空分技术发展现状

由于变压吸附常温空分技术对环境依赖性较小，在军事上的应用比较广泛。例各种军辅船安装有部分变压吸附技术的装备来制取氮气，可满足舰船上油库的抑燃、防爆、吹扫等特殊作业要求；小型军用分子筛制氧机还可以制取普氧，以满足官兵在高原低氧环境下作业时的用氧需求。

4 空气分离技术的改进

4.1 规整填料技术

结构填料技术效率高，压力不是筛板，使其成为空气低温精馏过程中最重要的技术。首先，结构化填充柱用于降低下，上和氩柱的操作压力，并有效地分离氧气和氩气。其次，填充柱的直径小于筛板的直径，这使得运输非常容易。最后，将结构填料塔应用于低温精馏不仅提高了安全性，而且使分离稳定性更强，更易于操作，简化了空气分离过程，获得高质量的氩产品[3]。

4.2 变压吸附常温空分技术

变压吸附制氧技术在不同压力下利用空气中不同的气体成分，吸附剂的吸附能力不同，分离空气中的不同气体，空气主要由氧气和氮气组成。所以选择是不同的。吸附和分离吸附剂，通过一系列步骤分离空气中的氧气以获得氧气。

4.3 系统优化

空气压缩机单元和主热交换器的优化是一种改进，因为每个空气分离设备预期实现的目标是低能耗，高产品质量和高生产效率。通过及时清洁或更换空气压缩机单元入口处的过滤器，可以有效地减少空气阻力并且可以增加空气循环。同时，它促进了循环水的循环，确保了水温不会过高，降低了各级之间的系统压力，从而保证了空气压缩机组的平稳运行。温度差的有效控制是解决该问题的关键，因为主热交换器中的温差过大会导致能量消耗增加。如果热端之间的温差很大，则由于不完全热交换造成的损失很大，因此主热交换器的气体排放由高压低压热交换器合理分配，热端的温差也很大，可以最小化并有效减少，空气分离装置的能量消耗改善了产品的氧气质量和提取效率。

低温空气分离技术是制备工业气体的主要方法，目前已经有了很大的发展。研究，勘探，扩建，设计和改进将继续接管新的阶段，以最大限度地提高设备的稳定性和安全性。