空气分离现状简述

1　空气分离的方法

空气分离的方法可分为低温和非低温两种，其中非低温空气分离方法包括吸附、膜分离、化学分离法。由于目前在大规模制取氧、氮气液产品，尤其是高纯度产品方面低温分离法具有无法取代的竞争优势，而且只有低温分离法才具有可同时生产氩等稀有气体产品的能力，故低温法在空气分离的工业应用中占据非常重要的地位。变压吸附法是20世纪50年代末才开发成功的，由于其独有的灵活方便、投资少、能耗低的优点，近年来变压吸附空分富氧技术在中小规模富氧应用领域得到越来越多的应用。膜分离空分是80年代国外兴起的高新技术，属高分子材料科学，它是21世纪十大新科技产业之一。该技术虽起步晚，但发展较快。

2　中国深冷空分设备的现状

全球工业气体市场由七大跨国气体公司所垄断。2001年各公司市场占有率分别为AL(法国液化空气公司)占18%，BOC14%，Praxair（普莱克斯）130%，ap(美国气体化工产品有限公司) 11%，Linde/AGA(德国林德公司)10%，日本酸素(NSC) 5%，Messer(梅塞尔) 4%，其它25%。

经过几十年的发展，我国空气分离设备制造业已形成杭州杭氧股份有限公司、四川空分设备（集团）有限公司、开封空分集团有限公司三足鼎立局面。另外，法液空、林德等跨国公司在中国建立了合资或独资空分设备制造企业，给中国空分设备制造企业发展增添了新的力量。2004年年末，杭氧与德国梅塞尔集团签署了联合促销与发展协议，使我国空分设备制造有望挑战世界垄断市场。

空分设备制造领域，国内企业与国外先进水平至少有十年的差距。大型空分设备，还是跨国气体公司占优势。中国经济迅猛发展，钢铁、石化、化工更是超常规发展，工业气体的增速为12％～15％。为此引进了100多套大型空分设备，宝钢还引进了72000m³/h的空分设备。而国内企业所获订单甚少，杭氧设计制造的52000m³/h空分设备，代表了国内最高水平。

3　空气低温分离工艺

空气低温分离利用多塔低温精馏工艺从压缩空气中制取高纯度的氧、氮、氩产品。压缩空气经过分子筛吸附器，除去所含的杂质，包括水、CO₂、碳氢化合物等。再经换热器被冷却至低温，在精馏塔中可分离为氧、氮、氩等产品。装置所需冷量由压缩空气或压缩氮气膨胀做功制取。

根据气态产品的加压方式可将空气低温分离流程分为外压缩和内压缩两种类型。在外压缩流程中，空分装置生产的气态产品的温度接近于环境温度，因其压力仅比大气压力稍高，故需要通过压缩机将其压缩至用户所需压力。在内压缩流程中，用液体泵将来自精馏塔的产品液体提压，再送入换热器汽化、复热后出空分装置。其中用液体泵将产品液体泵至用户所需压力的流程为全内压缩流程；在装置内将产品液体压力提升至一中间压力的流程为部分内压缩流程，此种流程可降低离心压缩机的压缩级数。

4  我国空气低温分离的技术发展

科技发展日新月异，空气低温分离技术已经取得很大的发展。早期的发展主要着眼于产品提取率的提高、原料空气的净化、换热器效率的提高、装置的优化控制、压缩机和膨胀机效率的提高等。最近的发展着重于填料精馏塔的使用、分子筛吸附器用于空气的净化、计算机模拟和控制、单元设备机械效率的提高等。

1998年，杭氧在国内开发了规整填料上塔、全精馏制氩为核心的空分技术。2000年，杭氧成功设计制造了一套拥有完全自主知识产权的云南铜业“1600”内压缩空分设备。这些技术达到了当代国际先进水平。杭氧为河南中原大化集团计制造的52000m³/h空分设备，是目前国内自行成套、自主设计制造的最大化工型内压缩流程空分设备，采用空气增压、膨胀空气进下塔的氧氮双泵内压缩流程，即采用增压空压机+液氧（氮）泵并通过换热器系统的合理组织来取代氧（氮）压缩机，采用了分子筛净化空气、全精馏制氩工艺。针对用户需求，可选择安全可靠和经济合理的最佳流程。整套装置具有设计参数先进、工艺技术成熟、运行可靠性好、操作方便、能耗低、安全性高等显著特点。

近几年。在技术创新战略的指导下，我国的空分技术有长足进步，不仅巩固了国内的中端市场，也逐步进入高端市场与国外大公司相竞争。2003年12月，杭氧中标中石化湖北化肥、安庆分公司2套“48000”内压缩空分项目合同，打破了国外公司的垄断。2004年低，杭氧中标河南中原大化“52000”内压缩空分设备，使5万等级内压缩空分设备的制造不再属于国外公司的专利。国产的大型空分设备越来越多的被国内石化、化工、钢铁用户所采用。

5　变压吸附空气分离

变压吸附（PSA）法是一门新的气体分离与纯化技术，是非低温空气分离中的 “明星”。变压吸附制氧（制氮）广泛用于冶金、化工、化纤、化肥、造纸、采油、污水处理、垃圾焚烧、煤矿防灭火、保鲜贮藏、金属热处理等。

与深冷法空分相比，一般认为，在8000m³/h等级以下，变压吸附制氧更具经济性。因此，在中小规模的空分领域，变压吸附制氧（制氮）将占主导地位。

我国变压吸附气体分离设备制造企业除杭州制氧集团有限公司、四川空分设备（集团）有限公司、开封空分集团有限公司外，还有四川天一科技股份有限公司、成都华西化工科技股份有限公司、北京北大先锋科技有限公司、温州瑞气企业空分设备有限公司、江苏昆山锦沪机械有限公司也具有相当实力。北京北大先锋科技有限公司自行研制开发生产的新一代PU-8型制氧分子筛，制造VPSA制氧设备，单机产量最大可达7000m³/h，氧纯度 90％～95％，制氧电耗≤0.35kWh/m³O₂，达到了世界先进水平。

变压吸附制氧原理：氮分子含有孤对电子而极性大于氧并且有较大的四极矩，因而N₂与沸石骨架中阳离子的作用力强。空气逐层通过沸石柱后，气相中的含氧量逐渐提高，这样便可得到富氧流出气。

变压吸附制氮原理：利用氧和氮在碳分子筛上吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差异及分子筛对氧氮随压力不同具有不同的吸附容量的特性，来实现氧氮分离。首先，空气中的氧被碳分子筛优先吸附，从而在气相中富积氮气。

一套变压吸附制氧（制氮）系统主要包括三部分：空气压缩系统、压缩空气预处理系统、吸附分离系统。变压吸附空气分离的技术进步主要集中在两个方面：变压吸附空分工艺过程的改进，使过程更加节能高效；变压吸附空分吸附剂性能的改进。吸附剂是变压吸附技术的基础，吸附剂的性能决定着吸附分离效果，从而决定着吸附设备投资和分离的经济性。

变压吸附空气分离的显著特点是：

①开停车方便：原始开车几十分钟左右可按要求获得合格产品。临时停车后重新启动即可迅速恢复供给合格产品。

②操作弹性大。

③自动化程度高。整个吸附分离过程由PLC或DCS控制，可以实现无人操作。

④操作成本较低。运行成本较低，主要操作成本为电耗，先进的装置电耗≤0.4kW·h/m³(O₂)。

⑤分子筛寿命长。在正常操作情况下一般可使用8～10年，无环境污染。

⑥投资省，一次性投资低。

6　膜分离空分

膜法气体分离技术是当今世界竟相发展的高新技术，属高分子材料科学，它是21世纪十大新科技产业之一。由于膜分离没有相变、不需要再生，所以膜分离技术具有技术先进、投资少、操作费用低、寿命长、操作简单、开停机方便、占地面积小、操作弹性大、维护费用低等优点。膜法气体分离技术现已广泛应用于从合成氨放空气中回收氢气，从天然气中提浓氦气，二氧化碳的回收，甲醇等的合成气的调比等。此外，气体膜分离技术还可用于空气分离，膜法空气分离可以直接生产氮气、其纯度可以达到99.9%；膜法空分还可以直接生产富氧空气、富氧空气的浓度可以达到50%。天津凯德梅塞尔公司开发膜分离制氮，已用于油田高压注氮三次采油。其他一些单位也在开发膜分离设备，如四川空分设备公司、江阴长江气体设备公司也已生产膜分离设备。

膜法气体分离的基本原理，是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率的不同，从而达到分离目的。通常一切气体均可以渗透通过高分子膜，其过程是气体分子首先被吸附并溶解于膜的高压侧面，然后借助于浓度梯度在膜中扩散，最后从膜的低压侧解析出来，其结果是小分子和极性较强的分子的通过速度较快，而大分子和极性较弱的分子的通过速度较慢，膜分离就是利用各种气体在高分子膜的渗透速率不同，来进行气体分离的。由于膜分离技术是利用不同气体的渗透速率的不同来进行气体分离的，其分离推动力为气体在膜两侧的分压差，所以膜法气体分离没有相变、不需要再生，它具有设备简单、操作及维护费用低等优点。膜材料是膜分离制氮技术的心脏部件，是决定气体分离优劣的关键因素。

7　结束语