常溫空分氧氮一體化聯合分離系統

薛 敏 金正濤

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連 116005

2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

常溫空分氧氮一體化聯合分離系統

薛 敏1金正濤2

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連 116005

2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

總結了目前船用分立制氧、制氮系統和氧、氮提純系統的不足之處，得出開發常溫空分氧氮一體化聯合分離系統的必要性。在此基礎上，探討了常溫空分氧氮一體化聯合分離系統的總體設計，構建了一種基于常溫空分的聯合制氧、制氮的創新系統方案，即以變壓吸附技術與膜分離技術耦合的工藝技術對空氣組分進行分離，僅以空氣為原料，無需任何輔料，在僅消耗電力資源的情況下同時獲取氧氣和氮氣。最后指出了常溫空分氧氮一體化聯合分離系統的發展趨勢和應用范圍。

常溫空分；氧氣系統；氮氣系統；氧氮分離系統

1 引言

氧氣與氮氣作為基礎性工業氣體，越來越多地應用于船舶及其裝備上。因為大噸位的新型船舶需要高純度、低露點、高壓力的氧氣和氮氣，因而就需設計氧氣和氮氣系統，并且在船上要具備生產、高壓存儲、轉注輸送和減壓使用的功能。船上空間狹小，而海上航行帶來的振動與沖擊、高空氣濕度，以及存在油霧、鹽霧和霉菌等一系列特定的環境條件，使得氣體系統的總體設計存在較大難度。

由于氧氣與氮氣是空氣的主要組分，空分法制取氧、氮無疑是簡單廉價的最佳選擇。目前，實現工業化的氣體分離技術可分為3大主流技術：深冷法（Cryogenic）、變壓吸附法（PSA）和膜分離法（Membrane Separation）［1-2］。

深冷法是工業上空氣分離市場的主流產品，在陸上大規模空氣分離領域具有較低的成本和較高的產品氣純度，但對于小型化的空氣分離，尤其是在艦船和車載移動式等特定的使用環境下，沒有有效的解決方案。

針對船用條件下的氣體分離和系統設計難題，西方發達國家針對如何將各種氣體分離技術應用于船舶氧氮分離進行過大量研究，目前，國外普遍裝備在各型船舶上的空氣分離設備主要以膜分離技術和變壓吸附技術為主，尤其是在這兩種技術的核心工藝分離材料方面，量身定做了各種不同功能的膜分離器，以及針對船用環境條件定制的能長期使用的特殊分子篩，使得其現役裝備處于領先地位。

在我國，船舶上特種氣體系統的應用才剛起步，其應用空間非常大。在大噸位新型船舶的研發過程中，我國自2002年才開始關注先進的常溫空分技術，研究開發特種氣體技術裝備，設計船用氧氣和氮氣系統。制氧系統是先以變壓吸附技術將空氣中的氧氣提純至純度約為95%的普氧，然后再以分子篩膜脫除其中的氬氣，從而得到更高純度的高純氧氣。制氮系統是先以膜分離技術提取純度約為99%的普氮，再以碳催化脫氧，將粗氮氣體中的氧氣與碳載體催化劑反應生成二氧化碳，最后，再以變壓吸附技術將二氧化碳脫除，從而得到更高純度的高純氮氣［3］。

本文主要探討常溫空分氧氮一體化聯合分離系統技術方案，著眼于氧氣、氮氣在船舶上的應用。

2 現有氣體系統分析

我國目前研制的船用分立制氧、制氮系統和氧、氮提純系統均需占用大量的船舶總體資源，且接口關系復雜，可靠性也有待提高。

制氮系統的缺點主要有：

1）工藝流程長、復雜，使得系統操作復雜，故障率相對較高，維護性差。

2）采用膜分離系統將粗氮提純的同時，也將富氧作為廢氣排空了，浪費了有價值氣體的組分與前級壓縮產生的動能，能效比極低。

3）采用分離系數為 5～6的膜分離器進行99%粗氮的分離，其系統效率低，能耗高，而如果降低膜分離系統提純的粗氮純度，將會直接影響到后面提純系統脫除二氧化碳時碳載體的消耗，因為氣體中的氧多了，碳載體消耗于反應上的數量將大大加大。

4）脫除二氧化碳的工藝屬化學反應，碳載體需要不斷更換，消耗大。

制氧系統的缺點主要有：

1）采用變壓吸附系統將粗氧提純的同時，也將富氮作為廢氣排空了，浪費了有價值氣體的組分與前級壓縮產生的動能，能效比極低。

2）分子篩膜僅應用于氬氣的脫除，材料利用率低。

隨著新材料的應用和新工藝的發展，結合已有氧氣、氮氣系統的科研成果，開發常溫空分氧氮一體化聯合分離系統是解決船舶總體設計問題，改善技術裝備，為船舶特種氣體提供保障的有效途徑和必然趨勢。

3 系統設計

3.1 方案簡述

系統原理：構建一種基于常溫空分的聯合制氧、制氮工藝流程，以變壓吸附技術與膜分離技術耦合的工藝技術對空氣組分進行分離，僅以空氣為原料，無需任何輔料，在僅消耗電力的情況下同時獲取氧氣和氮氣。

制氮：系統先對原料空氣進行預處理，讓干燥凈化的空氣進入正負壓操作有機膜分離器，滯留氣（粗氮）則進入變壓吸附制氮裝置以制取高純度的氮氣。系統可根據邏輯控制工藝流程的循環次數來制取純度較低的普氮或高純度的純氮。

制氧：將經過凈化后的壓縮空氣或制氮時的富氧廢氣以變壓吸附的方法制取粗氧，然后再以氧／氬膜分離法將粗氧提純為高純度的氧氣。系統可根據邏輯控制工藝流程的循環次數來制取純度較低的普氧或高純度的純氧。

供氣：用隔膜式增壓機將氧氣、氮氣增壓至用戶需要的高壓狀態，并存儲于氣瓶組內，然后，再通過管系接至各用戶并向其供氣。

組成：本系統由控制設備、空氣壓縮機、空氣預處理裝置、氧氣／氮氣分離裝置、氧氣／氮氣增壓機、高壓氧氣／氮氣瓶組、檢測儀表、氣體管路和附件組成。

功能特性：系統生產并增壓存儲氧氣和氮氣，向各用戶提供所需壓力和純度的氣體。

布置：氧氮一體化聯合提取設備最好布置在一個艙室中，以便于集中管理。不過，也可展開分別布置在不同的多個艙室，相互之間通過管線相連。

系統原理框圖如圖1所示。

3.2 主要模塊分析

3.2.1 氣源壓縮、預處理與緩沖模塊

該模塊包括壓縮機、制氧壓縮機、過濾及吸附干燥預處理系統和緩沖罐。

氣源模塊采用一套空氣壓縮機供氣，以滿足原料空氣的壓縮需求。該模塊可將原料空氣壓縮至0.85 MPa并通過空氣預處理系統（包括多級過濾以及一套吸附干燥機）。空氣經預處理系統處理后，其中夾帶的固體顆粒以及油份、水份和部分二氧化碳會被脫除，從而為制氧、制氮提供潔凈的壓縮空氣源。

經預處理系統深度凈化后，壓縮空氣經緩沖罐向后級分離系統供氣，同時也為各分系統提供儀表空氣。

制氧用壓縮機可將正負壓操作有機膜分離器負壓側的富氧氣體以及變壓吸附制氮的富氧氣體回收，以作為氧氣提純的氣源，然后通過回收組分提高系統能效比。

3.2.2 氮氣制取模塊

氮氣采用膜分離和變壓吸附聯合技術制取。

氣體膜分離的過程是利用混合氣體各組分（氧氣、氮氣等）通過膜時速度的不同，“輕”組分分子（如水、氧氣）較“重”組分分子（如氮氣）首先通過膜向化學勢降低的方向運動至膜的外表面層并溶解于膜中，然后在膜的內部擴散至膜的內表面層解吸，其推動力為膜兩側的該氣體分壓差。經過膜分離器后，原料氣—壓縮空氣被膜分離器分離成滯留側的富氮氣流以及滲透側的富氧氣流。其中，滯留側的富氮氣體進入后級變壓吸附制氮裝置，以提取高純度的氮氣；滲透側的富氧氣流則被回收，通過壓縮機壓縮后進入氧氣制取模塊。

變壓吸附制氮裝置主要由兩個裝填有碳分子篩（CMS）的吸附床層、氣路切換閥門以及控制系統組成。經上述初步分離后的滯留氣進入其中一個裝有CMS的吸附塔并連續通過CMS時，氧氣在CMS的多孔構造中迅速擴散，并在一定的時間內以遠高于氮氣的擴散速度優先吸附在CMS表面。因此，當空氣中的氮氣自由流經CMS，氧氣則被留在了CMS中。

在每一個吸附塔中，空氣中的氧、氮分離過程將在約1～3 min內完成。在經過第1個吸附塔后，壓縮空氣被切換到第2個吸附塔，新的分離過程重新開始。與此同時，在氧氣吸附飽和的塔中，氣體的壓力將降至一個大氣壓下，以脫除CMS中吸附的氧和少量的其它雜質氣體。再生還原后的CMS將進入下一個循環過程。

壓縮空氣從一個吸附塔切換到另一個吸附塔的過程由氣動控制閥門控制。這些閥門的動作順序由可編程控制器控制，這對連續供氮過程的一致性和重復性提供了必要的保證。

在基于動力學分離理論基礎的CMS變壓吸附制氮的同時，排空的廢氣則為富氧，其組分與壓縮動能均有回收價值，聯合分離系統可充分利用、回收各個相對獨立的分離體系的有效組分與廢氣動能。在回收有效組分的同時，也回收了大部分系統動能，為廢氣利用、氧氮的聯合提取提供了充分的技術保障。

3.2.3 氧氣制取模塊

氧氣采用變壓吸附與膜分離的耦合技術制取。

變壓吸附制氧裝置主要由兩個裝填有沸石分子篩（ZMS）的吸附床層［4］、氣路切換閥門以及控制系統組成。經凈化后的壓縮空氣或富氧氣進入其中一個裝有ZMS的吸附塔后，原料氣在連續通過ZMS時，氮氣在ZMS的多孔構造中在一定時間內優先吸附在ZMS的表面并較氧氣具有較小的吸附容量。由此，氧氣將在床層的出口端富集而氮氣則被留在ZMS中，隨壓力降低而解析排空。

在每一個吸附塔中，原料氣中的氧、氮分離過程將在約2～4 min內完成，并在分離過程的后期回收有價值的氣體組分以及部分壓縮動能。在經過第1個吸附塔后，原料氣被切換到第2個吸附塔，新的分離過程重新開始。與此同時，在氮氣吸附飽和的塔中，氣體的壓力將降至一個大氣壓下，以脫除ZMS中吸附的氮和少量的其它雜質氣體。再生還原后的ZMS將進入下一個循環過程。

原料氣從一個吸附塔切換到另一個吸附塔的過程由氣動控制閥門控制，這些閥門的動作順序由可編程序控制器控制，這對連續供氧過程的一致性和重復性提供了必要的保證。

膜分離提純裝置采用先進的分子篩膜分離器，利用膜分離材料的分離特性脫除介質氣體中的氬氣與少量氮氣。該裝置主要由膜分離器、氣體緩沖罐、氣路切換閥門以及控制系統組成。原料氣體經邏輯控制閥引導按順序進入提純系統后，在膜分離器滲透側出口富集的高純氧將被收集，而在膜分離器滯留側出口富集的氬氣的富氬富氧氣體則被排除。為提高氧氣回收率，設置了工藝壓縮機以循環進行膜分離過程，從而循環提純高純氧氣的濃度，同時，也將含有氬氣的富氧不斷引導回流進入提純系統，以作為吹掃載氣進行二次分離與回收。

3.2.4 增壓灌充模塊

采用隔膜壓縮機將前級分離的高純氧、高純氮進行增壓。

隔膜壓縮機的結構可保證被灌充介質（氧氣／氮氣）不受污染，其本身設置有膜片破裂、油壓低、油溫高等多項自動保護報警裝置。高壓瓶組也設置有安全閥，用于防止過流超壓以及意外溫升帶來的超壓危險。同時，通過結合控制系統設計壓力傳感、溫度傳感，并設置必要的報警、連鎖、保護、停機等功能，可防止增壓灌充裝置發生超壓和超溫。

3.2.5 系統控制

為滿足系統技術指標要求，在充分考慮人機工程、安全、可靠性等因素的基礎上，設置的控制系統與儀器儀表監測系統采用集中控制的方式，并以觸摸屏集中顯示。主要顯示內容有：

1）工藝流程、閥位的運行狀態；

2）各儀表、傳感器的實時采樣；

3）自動在線的監控參數可以遠傳并打印，實時、歷史以及運行趨勢參數記錄可以隨時調閱。

通過對系統中所有的溫度、壓力、純度、露點等工藝運行參數進行集中控制，并設置必要的故障報警點、人機對話界面，使得操作人員對系統運行過程參數一目了然。

控制系統可根據系統工藝流程的需要設置必要的操作安全連鎖，從而使得系統操作更智能化。通過對在線監測獲得的數據以及過程工藝節點專家系統設置的參數進行比對，可自動糾正系統運行。這不僅減少了人員過程操作，而且還可避免人為誤操作［5］。

3.3 關鍵技術

1）系統適裝性。

常溫空分氧氮一體化聯合分離系統技術方案首先要解決的關鍵問題就是船用適裝性問題。海上特定的惡劣環境會對系統的功能、操作和安全造成一定的影響，因此必須克服適裝性問題。

2）低分壓氧／氬分離無機膜分離材料與膜分離器的制備技術。

利用無機膜優異的氧／氬分離性能，將膜分離材料改性，以研制出一種新型的膜分離材料。與目前采用的膜分離材料相比，需具有單位體積內膜面積大、耐壓強度高、適用低分壓氧／氬分離的優點，并可直接應用于自空氣中脫除的大部分氬氣，從而使得與非對稱變壓吸附的耦合分離更具條件。

3）非對稱變壓吸附與膜分離的耦合分離技術。

主要針對適合氧氮聯合分離體系、多循環分離體系的非對稱變壓吸附與膜分離工藝的耦合分離技術的研究，需開發出一種適合氧氮同時獲取、在多組分分離體系下進行的循環有價值氣體的變壓吸附方法［6］，以及與膜分離體系結合的氧氮聯合分離工藝方法。

3.4 優點分析

相對于分立的制氧、制氮系統和氧、氮提純系統，一體化系統的先進性與優越性主要表現在：

1）系統功能得到增強。根據系統各工況的不同要求，普氮、普氧、高純氮、高純氧既可同時獲取，也可分別制取，其調節范圍廣，能滿足各項性能指標要求。

2）系統安全性得到提高。分立的制氧、制氮系統和氧、氮提純系統由于設備多且分散，涉及眾多的布置艙室，因而高壓氣體管路長、接頭多、穿艙多、穿甲板多。而設計一體化系統則可減少高壓氣體管路近2／3，極大提高了系統安全性和布管空間需求。

3）系統技術先進。采用先進的膜分離技術與變壓吸附技術的耦合工藝，具有常溫低壓無相變的分離特點，使得一體化系統及裝置既可滿足船用使用環境，還具有更小的體積和占地面積［7］。

4）系統能耗降低。一體化聯合分離從工藝上可互相補償，可公用壓縮空氣源，較之單獨提純氧氣拋棄氮氣或者提純氮氣拋棄氧氣，可減少壓縮能源消耗50%以上。

5）優化總體設計。總體設計集成度得到提高，可集中保障冷卻水、通風、消防噴淋以及損管措施，節約了大量水管、風管和電纜。一體化系統操作簡單，具有較高的可靠性與穩定性，維修量較低。

4 結論

常溫空分氧氮一體化聯合分離系統的成功實現，可取代大噸位新型船舶上同時設置的氧氣系統、氮氣系統、純氧系統和純氮系統等眾多系統及其設備，是今后船用以及航空行業氣體分離的發展方向。其克服了目前深冷法氣體分離技術、變壓吸附技術、膜分離技術裝備的一系列弱點，通過聯合分離技術，取長補短，綜合解決了現役船用、基地保障氣體分離系統存在的工藝技術落后、產氣速度慢、流程復雜、維護性差和機動性能差等問題。采用膜分離與變壓吸附聯合工藝技術的新型氣體分離系統，可廣泛應用于在具有電源的各種環境條件下需要制氧、制氮的各種保障基地、船舶、移動式供氣車輛和飛機等。

［1］ 付嫚，高世選，宋海華.特種氣體的分離技術［J］.艦船防化，2003（3）：15－21.

［2］ LI J R，KUPPLER，R J，ZHOU H C.Selective gas adsorption and separation in metal-organic frameworks［J］.Chem.Soc.Rev，2009，38（5）：1477－1504.

［3］ 朱鴻，葉持舟.制氮技術在船舶領域的應用［J］.機電設備，2009，26（2）：8－9，7.

［4］ Li S G，Tuan Vu A，Falconer J L.X－type zeolite membranes：preparation，characterization，and pervaporation performance［J］.Microporous Mesoporous Mater，2002，53（1－3）：59－70.

［5］ 王弘，余化，黃雄武.制氧機組故障診斷專家系統知識庫的研制［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2006，34（11）：90－92.

［6］ 張學偉，劉偉，鄧丹.氣體變壓吸附非等溫非絕熱非平衡模型計算［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2008，36（7）：70－72，84.

［7］ 楊順成.膜法空分制氮與富氧技術在艦船上的應用與前景［J］.艦船科學技術，2004，26（3）：63－65.

Design of Combined Air Separation System for Oxygen-Nitrogen at Normal Temperature

Xue Min1 Jin Zheng－tao2

1 Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.，Ltd，Dalian 116005，China

2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Current independent marine separators for individual oxygen＆nitrogen generation along with purification system has many drawbacks，it necessitates the development of combined air separation system for oxygen－nitrogen.This paper gives a concept of overall design of such combined system at normal temperature condition.A novel scheme of combined solution for generating oxygen and nitrogen is presented.This design incorporates PSA－membrane separation technique，raw material used for separation process is air，consuming electric power and dispensing with any accessories.The paper also presents trends for the development of combined air separation system at normal temperature and indicates a range of applications possible in the future ship design.

air separation at normal temperature；oxygen system；nitrogen system；oxygen－nitrogen separation system

文獻標識碼:A

1673－3185（2011）02－88－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.019

2011-02-12

中國艦船研究設計中心部研發項目（BYF2010045）

薛 敏（1979－），男，工程師。研究方向：船舶工程。E-mail：jinshool＠sohu.com