何涛

沁阳京宇气体有限公司河南沁阳

摘要：随着我国科学技术的不断更新，空气分离装置工艺流程也在不断完善。虽然我国的科学进步给化工企业带来了很多较为先进的技术，但是从整体情况来看，我国的空气分离装置仍然有很大的提升空间，需要进一步优化配置，提高生产效率和产量。如今，空分单套装置产氧量越来越大，空分装置的管道设计布置以及设备布置在进行空分工程设计时占据着越来越重要的地位。空分设备以及管道布置是非常复杂的，需要结合很多专业知识，具有一定的技术含量，这就需要工程设计人员在实际工作中长期的经验积累。基于此，本文主要分析了空气分离技术的发展和改进技术。

关键词：空气分离技术；发展分析；改进技术

中图分类号：TQ文献标识码：A

引言

在现实生产活动中，用于进行空气分离的装置较多，不同的空分装置所使用的技术方法也不同，在实际生产活动中，根据生产目的对空分装置工艺技术进行选择。在选择空分装置的工艺路线和设备时，应该综合考虑空分装置在效率、纯度、安全性等不同方面的需求，以及满足经济性的需要，确定最为合理的工艺流程。技术人员应深入对比不同工艺下的运行方式，保证空分生产能配合其他项目的运转需求和调整负荷的要求，达到最好的生产效果。

1空气分离工艺概述

空气分离，即空分，是采用物理或化学手段，对空气进行分离，获得高纯度氮气、氧气以及其他稀有气体的过程。空分装置是用来把空气中的各组分气体分离，分别生产空气组分的氧气、氮气、氩气等气体的一套工业设备装置。通常采用深度冷冻空气分离技术，以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，经过低温精馏根据不同沸点而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备，广泛应用于传统的冶金、化工以及半导体器件制造等领域。

空气分离首先用压缩机对空气进行压缩、膨胀和降温，得到液化空气。再把液化空气通入精馏塔，使其与气体空气接触，由于气、液空气之间存在温差，两者会发生热交换。低温的液化空气中氮组分由于沸点低率先蒸发进入气相，气态空气中的氧组分由于沸点高也率先冷凝进入液相。造成气相中的氮含量越来越高，液相中的氧含量越来越高。经过如此多次循环，达成分离空气中的氮和氧的目的。同理，氩气等其他稀有气体，也是利用沸点不同，从初级液态氧气中进一步分离而来。深冷空分法是目前应用程度最广的空气分离法，其特点是产品纯度高、产量大、可附带提取氦、氖、氩、氪等其他稀有气体[1]。

现阶段我国主要空气分离技术有3种，即深冷法、膜分离法、吸附法，具体到工艺装置中，可能是这几种方法的组合。(1)低温法(深冷法)。将过滤后的空气压缩、膨胀、降温，直到液化，然后利用氮、氧沸点的不同，沸点低的容易汽化这个特征，在分离塔内让相对温度高的蒸气与温度低的液体不断接触，利用低沸点的氮多蒸发，高沸点的氧多冷凝的原理，使塔上部蒸气氮含量不断提高，塔下部液体中的氧含量不断增大，实现氧、氮分离。(2)变压吸附法。利用特定吸附剂(分子筛等)在一定压力下，对气体混合物中某些特定组分吸附能力的差异进行分离，通过吸附剂以及压力的转变，获得不同纯度等级的氮氧产品。(3)膜分离法。通过气体扩散原理，利用一些有机聚合膜的潜在选择性，让空气通过透析膜，不同气体有不同的渗透率，以实现气体分离[3]。

2空气分离技术发展现状

2.1空气污染分离

由于有毒污染物，如重金属、有毒气体和微生物，世界范围内的空气污染极大地危及人类健康。为了保护公众免受严重的空气污染，空气分离器是非常必要的，并在最近几年进行了深入的研究。理想的空气分离器应该能够有效地去除颗粒物，同时允许空气轻松通过。传统的空气分离器比表面积低，对颗粒物的表面亲和力差，因为空气分离器通常由微米级的聚乙烯和聚丙烯纤维制成，它们与颗粒物的相互作用不足。传统空气1分离器采用的材料与颗粒物相互作用不够，因为传统空气分离器通常由微米级聚乙烯和聚丙烯纤维制成。传统的空气分离器比表面积低，对颗粒物的表面亲和力差。为了获得高性能的空气分离器，已经开发了各种材料，包括合成聚合物、天然聚合物、纳米碳、无机物和有机—无机混合物。

2.2工业气体分离材料

氧气在体积上占空气的21%。它是世界上使用最广泛的商品化学品之一，几乎在每个工业部门都有大量应用。从空气中分离氧气是一项大生意，每年生产近1亿吨氧气。氧气市场在未来几年将会扩大，因为所有大规模清洁能源技术都需要氧气作为原料。空气分离有两种基本方法，即低温蒸馏和非低温蒸馏。低温蒸馏通常只适用于在超低温下需要大量氧气的应用。而后者涉及在环境温度下使用分子筛吸附剂通过变压吸附或使用聚合物膜的膜分离过程来分离空气。

3空气分离方法分类

3.1低温空气分离方法

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。随着空气分离工艺的不断改良，该方法目前在化工企业生产运作方面占主导地位，同时低温空气分离方法也是目前化工企业广泛应用的空气分离法。低温空气分离方法的空气分离设备具有空气压缩、膨胀制冷，水分干燥、去除杂质，换热冷却、液化，空气精馏、分离，低温产品的冷量回收及压缩等功能。以上每一个步骤的实现方法以及所用的设备都是不一样的，所以可以组合为作用不同的工艺流程。低温蒸馏对于将空气分离成高纯度和高压的组成部分是特别有利的，但是目前低温蒸馏制得的分离产品纯度不高[3]。

3.2膜分离方法

薄膜分离技术在使用时会利用具有渗透性的薄膜，可以根据渗透物质的特征选择合适的薄膜，满足生产工作的需要。实际生产过程中，使用该方法速度比较快，而且对很多装置的兼容性都很强；但是由于生产过程中氧气的纯度相对较低，因此很难应用到高纯度的生产中，一般应用在医疗保健产品中。膜分离技术兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，高效、节能、环保，采用分子级过滤，过滤过程简单、易于控制，因此，已广泛应用于食品、医药、生物、化工、冶金、能源、石油、仿生等促进经济发展的重要领域，为社会创造了巨大的经济效益，已成为当今分离技术中的重要手段。膜分离法实际上是根据气体扩散的原理，主要利用膜渗透技术，首先利用空压机压缩，除油干燥，再经过加热进入膜分离器，压缩空气在膜的两边有压力差，可根据氧、氮通过膜的不同速率，分别在膜的两边收集氧气和氮气。

3.3变压吸附的分离方法

吸附变压主要利用分子筛对气体进行筛选，达到分离气体的目的，由于分子筛的特点，所以对氧气和氮气具有不同的吸附能力，能满足操作指向性的要求。使用该技术的过程中需要确保分子筛的兼容度和吸附因子的储备容量，如果出现吸附因子过多、过重的情况，就会导致吸附空间持续饱和，会影响原有的吸附效果。比如目前的工艺改良中，为了能够获得更高的氮分子吸附效率，就需要在分子筛中加入一定的碳元素。使用吸附变压技术的特点在于初始成本比较低，运行也比较方便，但是在提炼氧气时，纯度相对较低，而且容量比较小，也很难进行大规模的应用，生产过程中也会因为操作不合理导致误差出现。所以该技术一般都被作为备选方案。

4空气分离技术改进措施

4.1空气分离装置工艺流程的选择

（1）液态产品设备选型思路

液态产品生产时会将空气从气态转化为液态，通过蒸馏等方式提升空气的提炼纯度，所获得的液氧、液氮能够应用在很多不同的领域当中。但是无论使用那种生产方式，都应该了解客户对于液氧、液氮产品的需求，而且要保证生产流程能符合操作准则，满足气体沸点的控制需要。如果使用分子筛进行分离，在前期并不能确定分子筛的渗透量，所以在空分装置设备选型工作中应该侧重于低温精馏工艺的兼容使用；在内外压缩工艺的选择中，应该对设备的能耗情况、提取量的比值区进行一定的划分，结合过去的长期生产经验确定提炼方式，并且在生产过程中分析提炼工作的规律和实施准则，不断优化生产流程，获得最合理的生产途径。

（2）气态成品的工艺流程选择

气态成品的工艺流程选择比液态成品更加多元化，对各方面要求严格。其中，产量高、纯度高的双高产品需要满足低压、低温等条件，因此低温空气分离法是最好的工艺流程。现如今，根据实践报告可知，膜分离技术和变压吸附分离法提取的产品纯度无法达到99%。另外，对于小型的空气分离装置，需要选择变压吸附分离方法或者低温空气分离方法。当提取的氧气纯度大于90%时，也需要选择低温空气分离工艺流程。上述两种情况选择使用膜分离工艺装置是无法获取高纯度氧气的，所以，这种工艺仅适用于对氧气纯度要求较低的领域。

4.2合理做好空分设备选型

使用内压缩设备的氮氧产品比例一般在1：1-1：3之间，很多项目的氮氧产品还会按照1：2采出，但是结合本项目的要求，氮氧产品的比例需要达到1：4，所以使用内压缩路线难以满足要求。为了满足要求，制定了如下几类技术方案：m3/h内压缩空分装置；配合m3/h的制氮设备；m3/h内压缩空分装置；配合m3/h的制氮设备；m3/h内压缩空分装置；配合m3/h制氮设备，外挂m3/h的制氧塔。结合不同制氮制氧的方式，对设备的参数要求和投资进行了分析，三种方案都能满足运行要求，但是方案二的压缩机总轴效率相对于其他方案更优越，而且设备投资也比较合理。

（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。

4.3做好空分装置危险性处置

(1)切忌直接出水。如对已受损冷箱盲目出水冷却有可能造成冷箱内的低温液体加速挥发，或使冷箱爆炸倒塌，当火灾有蔓延危险时，应设立阵地进行堵截，保护冷箱不受热辐射威胁。

(2)严禁火源。当有易燃易爆气体，应对周围实施可燃气体浓度实时监测，并注意非防爆对讲机、手机等使用。不得穿着带有铁钉或任何钢质件的鞋子进入空分生产区，在充满氧气的环境中不得穿合成纤维衣物。

(3)防静电。当装置中液化的气体流速增高时，静电场的强度便迅速提高，且可能达到较高的电压而发生静电火花，形成火灾爆炸的引爆源。(4)防机械伤害。空分装置机械设备运转时部件的外露部分(电机、联轴器等)，如若存在防护措施缺失，稍不注意可能导致衣物等缠绕其上，造成更为严重的伤害。(5)区段加温。如若发生有人员被困冷箱内，在进入空分装置的保冷箱内施救被困人员前，必须经厂方技术人员评估，是否具备对有关区段进行加温条件，或在做好相关个人防护后方可进入[4]。

5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。

结束语

随着工业突飞猛进式发展，工业上使用空分装置生产液氧、液氮等产品随之越来越多，与此同时，近年来国内因空分装置发生的安全事故相对频发，造成人员伤亡和经济损失，给社会带来负面影响。为了保证生产安全和生产效率，生产过程中必须做好设备的选型和工艺路线选择工作，为高质量、高效率的空气分离工作创造条件。

参考文献：

[1]衣爽.空气分离技术及发展研究[J].天津化工，,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，,25(08):+.

[3]巫小元，崔仁鲜，化国.浅析空气分离方法和工艺流程的选择[J].低温与特气，,34(03):11-15.

[4]何永，席俊峰.化工企业空气分离装置工艺流程选择[J].化工管理，（9）：.

[5]李朝荣.浅析空分装置工艺流程的选择[J].化工管理，（18）：.

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