淺析空分裝置工藝流程的選擇

李朝榮（內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 赤峰 025350）

1 空氣分離工藝簡述

我國的空氣分離技術(shù)具有悠久的發(fā)展歷史，在早期常用的工藝為低溫深冷分離工藝，但隨著技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合國內(nèi)空氣分離裝置的現(xiàn)狀，目前主要存在的空氣分離工藝有三種，分別是：變壓吸附工藝、膜分離工藝、低溫精餾工藝。

1.1 變壓吸附工藝

變壓吸附工藝主要使用了分子篩作為吸附劑，通過壓力的改變，空氣原料中的氮氧分子在分子篩的作用下，形成吸附力差異。經(jīng)過一段時間之后即可實現(xiàn)氮氧分子的分離（吸附相富集和氣體相富集），隨即進行氮氧分子的卸壓（變壓過程），分子篩在卸掉氮氧分子之后可以循環(huán)使用。這種通過分子篩吸附并改變壓力收放氮氧分子的工藝，就被稱之為“變壓吸附工藝”。

在實際的生產(chǎn)流程中，還需要進行空氣凈化環(huán)節(jié)，去掉空氣中存在的雜質(zhì)，并送入緩沖罐等操作。變壓吸附工藝的造作流程并不復(fù)雜，但獲取的氮氧產(chǎn)品質(zhì)量較低。

1.2 膜分離工藝

從原理上來說，膜分離技術(shù)應(yīng)用的擴散原理，即根據(jù)氣體在膜中溶解和擴散的系數(shù)差異，實現(xiàn)不同的滲透速度來實現(xiàn)空氣成分的分離。不難看出，分離膜的性能好壞，決定了空氣分離工藝的水平。空氣原料在膜的兩側(cè)作用，滲透率快的部分與滲透率慢的部分實行自然分離，但為了保障產(chǎn)率，一般會使用催化劑；實際生產(chǎn)過程中依然要先通過凈化預(yù)處理系統(tǒng)。

膜分離工藝是所有工藝類型中最靈活的，通過更換不同的纖維材質(zhì)膜，就可以得到不同種類和純度的氣體產(chǎn)品。實踐研究證明，膜分離工藝所面臨的壓力越大，產(chǎn)量就越大，因此發(fā)展纖維膜技術(shù)是這一工藝的核心問題。

1.3 低溫精餾工藝

低溫精餾工藝是低溫深冷空氣分離工藝的升級版，其原理是利用空氣中氮氧分子的物理特性不同來實現(xiàn)的。氧分子和氮分子的沸點不同，在高壓低溫的情況下首先對空氣進行液化，隨后經(jīng)過精餾，傳熱分離已經(jīng)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的空氣，從而分離氧分子和氮分子。

這一工藝在實際的應(yīng)用中保留了大量的傳統(tǒng)手段，如空氣壓縮機、凈化裝置、熱交換系統(tǒng)以及精餾系統(tǒng)等等。

相比較前兩種工藝而言，低溫精餾工藝具有很明顯的特點，即可以實現(xiàn)產(chǎn)品的高純度性。

低溫精餾工藝受到新工藝的沖擊，主要是由于其自身的流程較為復(fù)雜，裝置啟動時間過長等缺陷。尤其是裝置本身造成的不便性，包括空氣壓縮機、凈化器、熱交換系統(tǒng)等等，初始化投資成本要遠遠高于分子篩和膜分離工藝。

但不可否認的是，要獲得高純度的氮、氧產(chǎn)品（尤其是液態(tài)產(chǎn)品），在常溫下是無法實現(xiàn)的，低溫深冷工藝依然是不可或缺的。

2 空分裝置工藝流程的選擇

空氣分離裝置的應(yīng)用范圍廣泛，品種多樣，不同的行業(yè)在選擇的過程中，要根據(jù)自身的需求確定。在了解了主要的空氣分離裝置工藝原理之后，還要確定用戶究竟要生產(chǎn)怎樣形態(tài)的產(chǎn)品（液態(tài)或氣體），作者做出了如下的選擇建議。

2.1 液態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝選擇

空分裝置及流程所對應(yīng)的原料是氣體形態(tài)，轉(zhuǎn)化液體形態(tài)需要高壓、低溫等條件。綜合以上工藝的特點，不難判斷出，要得到液態(tài)產(chǎn)品低溫精餾工藝是最佳的選擇。這是因為，非低溫狀態(tài)下，盡管可以利用分子篩或者分離膜得到氮氧分子的集合，但在一個大氣壓的狀態(tài)下，氧氣（純氧）的沸點是90.17K(-182.98℃),氮氣（純氮）的沸點是77.35K(-195.80℃),根本無法形成液態(tài)形式。

因此，要獲得液態(tài)產(chǎn)品，必須對溫度和壓力做出考量，同時液態(tài)產(chǎn)品的存儲工藝要求也十分嚴(yán)格，這與生產(chǎn)工藝實現(xiàn)對接需要嚴(yán)格的條件。

2.2 氣態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝選擇

氣態(tài)產(chǎn)品的生產(chǎn)流程選擇度很大，除了非低溫精餾工藝之外，更多的用到了分子篩和分離膜，這兩種工藝都可以實現(xiàn)循環(huán)生產(chǎn)，節(jié)約成本。但缺點是無法獲得純度較高的產(chǎn)品。

對于一些要求純度較高的氣態(tài)產(chǎn)品，主要采用全低壓空分低溫雙塔精餾工藝。原因就在于，吸附、膜分離以及其他工藝雖然可以實現(xiàn)空分目的，但在高純度方面的提取存在天然缺陷（工藝限制），全低壓空分低溫雙塔精餾工藝可以實現(xiàn)純度99.99%級別的工藝水準(zhǔn)。

3 結(jié)語

通過以上內(nèi)容介紹，對國內(nèi)當(dāng)前主要的空分工藝進行了分析，當(dāng)前的空分裝置工藝呈現(xiàn)出“新舊混雜”的局面。一方面，新工藝的出現(xiàn)大大提升了空分裝置工藝的產(chǎn)量，節(jié)約成本，提高效率；但另一方面，新工藝還無法完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝，為了獲取高純度的產(chǎn)品，傳統(tǒng)工藝依然具有發(fā)展前景。綜合以上的研究成果，我國未來的空分裝置工藝發(fā)展還有待進一步的提升，注意結(jié)合各自優(yōu)點，從流程體系入手，滿足經(jīng)濟發(fā)展需要和環(huán)境生態(tài)需要。

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