深冷分離法加膜分離法的空氣分離裝置分析

王 靜，丁玉峰

（神華榆林能源化工有限公司，陜西咸陽 719000）

深冷分離法加膜分離法的空氣分離裝置分析

王 靜，丁玉峰

（神華榆林能源化工有限公司，陜西咸陽 719000）

如今，從空氣中分離出來的很多氣體，如氮氣、氧氣、氫氣等都在被人們越來越廣泛的使用。那么，如何從空氣中分離出更多更有用的氣體來回收利用，從而滿足人們的更多需求呢？從深冷分析法、膜分離法兩個方面進行分析，通過各自原理尋找兩者最佳空氣分離裝置，從而對空氣中各種有效成分進行有效的回收，提高資源的利用效率。

深冷分離法；膜分離法；空氣分離裝置

Abstract：Today，many of the gases separated from the air，such as nitrogen，oxygen，and hydrogen，are being used more and more widely.So，how to separate more useful gas from the air to recycle，so as to meet people’s more needs? This paper intends to analyze the two methods from the cryosurgical analysis and the membrane separation method，and find the best air separation device through the principle of each principle，so as to effectively recover the various active ingredients in the air and improve the utilization efficiency of the resources.

Key words：cryogenic separation method；membrane separation method；air separation device

資源節約型、環境友好型社會的提出，使得人更加注重對資源的合理及有效利用。深冷分離法加膜分離法都屬于通過采取一定的方式和手段對空氣進行某種分離，使得空氣中的有效氣體得到最大程度的分離與利用，從而滿足社會生產的巨大需要，同時也能促進資源的有效利用。它們工作的原理不同，采用的方式不一樣，但是在促進氣體的有效分離方面都起了至關重要的巨大作用。

1 深冷分離法–通過一種機械的手段來分離氣體的方法

深冷分離法，簡單的講即為通過不同的溫度來最大程度的對氣體進行分離。主要是采取一種機械性的方式，例如通過不同手段讓氣體實現膨脹，再根據各種不同氣體各自的沸點不同，對它們再進行降溫冷卻。不同的氣體通過這種方式實現了較為精準的分離。在我國，制取氧氣的80%都是來源于這種方法。這種方法分離出的氣體精度相對較高，但是在分離過程當中的成本也較大。這種方法比較適合空氣中比重較大氣體含量的分離，比如氮氣和氧氣的制取就非常適合，而在分離在空氣中所占比重較小的氣體時則顯示出他的不足與局限性。盡管我們當前在改進技術管理等方面一直在努力，也取得了不小的成就，但是水平仍有待于進一步的提高。

2 膜分離法–通過各種分子在膜表面附著和溶解擴散的不同來分離氣體的方法

膜分離法，相對于現有的空氣分離技術，它則屬于新一代的氣體分離技術。主要是通過運用一定的壓力，依據在氣體中待分離出的氣體分子在其膜表面的附著及溶解擴散存在的各種不同，使氣體中的各種成分進行有效的分離。它和深冷分離法相比，主要特色在于它絕無任何化學反應出現，不使用任何化學添加，同時成本較低，能源的消耗較少，它適應性也較為強大，裝置水平的配置規模大小要求也較低，安全系數高，可信賴度較高，當然應用也比較廣泛。在當前社會，這種技術相對也已經比較成熟，并且在很多氣體分離的領域也被廣泛應用。同時，這項技術帶來的巨大的經濟和社會效益也已經成為分離技術中最重要的手段之一。它被發達國家所稱贊，認為其創造性再造了更多的可用資源，是一項人類為之自豪的技術進步。

膜分離法在不斷發展，膜的材質也在不斷的更新換代。膜所用的材料包括各種天然材料，例如各種纖維素的衍生物等，也包括人造材料，如各種合成高聚物，還有一些特殊材料。近年來，有開發研制了一些新興的膜材料，如復合膜、納米材質的過濾膜，功能高分子膜等。有關學者也曾預測，在膜上的創新與突破，將會成為影響該項技術的關鍵。

3 深冷分離法加膜分離法的空氣分離裝置

3.1 深冷分離法基本原理及其對應的空氣分離裝置

深冷分離法在空氣分離上，工作原理較為簡單。它把空氣作為原料，經過一系列的程序，包括大幅度的濃縮、有步驟的凈化，以及還要使用熱交換的方法使空氣液化成液態的空氣。大致如下：空氣在進入壓縮機之前要先通過空氣的過濾裝置進行過濾，使其更加純凈后再進入空氣壓縮裝置中，壓縮到了具有合適壓力后再進入空氣的冷卻裝置中，使空氣的溫度迅速地降低。在此基礎之上，再對空氣進行干燥處理，可以通過空氣干燥凈化器來進行，使空氣中一些不被需要的物質被清除，比如所含的水分、二氧化碳等物質。在空氣分離的裝置的設置中，也必須要保障兩種流液被很好的處理和收集。一方面，空氣被凈化后要保證其進入空氣分離裝置中的主換熱增熱容器中，未獲得通過的，即返回來的液態氣體通過冷卻裝置達到最佳溫度時，再送入凈化蒸餾容器的底部，在容器上部能夠充分搜集氮氣，在底部的液態空氣再進行冷凝，通過一系列的冷凝裝置進行冷凝蒸發，氮氣最終被冷凝，部分最后對滯留的液體進行分節設置。當然，也可以把它再次流入主要的換熱增熱容器中，之后到達一定程度進入膨脹的容器中進行膨脹，降溫，一部分的氣體可以被再分離和再次的利用，其他的部分也會被排入大氣。由此可以看出，要建立空氣分離裝置，一方面做到空氣的深度壓制縮小并對空氣進行徹底的凈化；另一方面即是空氣的最終分離。當然，從空氣分離出來的液態氮氣也應有專門的容器進行液態的貯藏和運輸。在對其設備進行檢查時，必須要確保液態氮氣的密封性好，安全的進入對應的容器里。

3.2 膜分離法基本原理及其對應的空氣分離裝置

在從分子角度學講，膜分離法是指不同顆粒的半徑分子的混合物再通過膜時，進行不斷選擇和分離的技術方法，同時具有對氣體所包含物質進行不間斷分離、高質量的濃縮、大幅度的純化和精致等功能，包括電滲析，反滲透、超濾以及滲析等。其工作原理主要是利用氣體中所包含的高分子膜的特性，即有選擇性的透過將所含的某些微小顆粒，如分子、離子或某些被選擇透過的細小微粒等從分離出來。在有選擇透過的同時，通過一定的方式給予它加一定的壓力，之后原液沿著具有過濾作用的膜的表面，以一定的速度流過，大于具有過濾作用的膜的分子不能流過，則只能繼續回到原處，而對于那些小于具有過濾作用的膜的分子則可以順利通過，形成新的出口。由此可見，在分離的過程中，膜起著非常重要的作用。特別是在空氣分離過程中，膜兩側滲透物質的分壓差使氣體物質不斷的被分離。

在應用的過程中，如要把氮氣從空氣中徹底地分離出來，壓縮的空氣首先要通過裝置中間為空的纖維膜，就在通過這層膜的同時，空氣中所包含的大量的氣體，如氧氣、二氧化碳、一氧化碳和水蒸氣等物質會通過這層纖維膜的管道縫隙，進入到大氣之中得以排放。同時在該膜的出口處，把分子尺寸較大的氮氣分子和氬氣全部收集起來，進入到相關的應用設備里面。通過這種方式提取氮氣的最高純度高達99.5%以上，純度相對較高。當然，要把氮氣、氧氣等從空氣中分離出來，也可以通過改變壓力來吸附的技術進行。這種技術是通過固體狀態的介質來分離空氣中的各種成分，所需的固體狀態的介質就是主要成分為碳的分子篩。這種分子篩本身就具有多孔、疏松的特點，所以，首先要將壓縮的空氣充入充滿碳元素的分子篩的密封容器中，由于壓縮空氣的主要成分是氮氣、氧氣和少量的氬氣和水蒸氣。再加上氮氣和氧氣由于其分子的尺寸各不相同存在差異，作為吸附力較強的碳元素的分子篩會首先吸附里面所含的水蒸氣和氧氣，即讓分子尺寸較小的顆粒進入，而氮氣由于分子尺寸較大，不能被吸附，必然會被保留。這樣，通過這種裝置也能實現了空氣中有效氣體的分離。

隨著膜技術的迅速發展，也為我們實現空氣分離提供了更好的保障。從膜材質的不斷變化和創新到技術的不斷進步和提高，從我國的明顯落后到現在所能做出的重大成就，無一不是喜悅。隨著技術的不斷發展，相信空氣分離裝置也會越來越完善，分離的純度也會越來越高。

4 結語

面臨當今社會資源的極度緊張，已完全不能滿足人們需求的現實，作為在已有物質的基礎上有計劃地進行分離顯得尤為重要。希望通過所研究的深冷分離法、膜分離法的理論觀點給大家以啟示和鼓勵。也希望大家能夠共同努力，為資源的再利用、創造性地利用做出我們自己的努力，讓我們的資源更充分，讓我們的生活更美好。

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Analysis of Air Separation Device by Deep-cooling Separation and Membrane Separation

Wang Jing，Ding Yu-feng

TQ116.11

A

1003–6490（2017）09–0208–02

2017–06–12

王靜（1988—），女，陜西咸陽人，助理工程師，主要從事煤化工工作。