新型航空制氧制氮常溫制取系統設計

侯俊杰，謝鴻璽

（1.中國人民解放軍第四三二八工廠，山西 長治 046011；2.合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031）

目前實現工業化的氣體分離有三大主流技術：深冷空分法、變壓吸附法和膜分離法。根據當前氣體分離技術特點，受制于吸附材料和膜分離材料等因素，只采用任何一種分離工藝均難單獨實現分離目標。

1 設計思路

綜合對比分析深冷空分法、變壓吸附法和膜分離法制氧制氮技術的優缺點后，可采用變壓吸附與膜分離相結合的方法制取航空呼吸用氧和高純氮，其中制氮采用變壓吸附工藝技術，利用氧在碳分子篩床層微孔系統狹窄空隙中的擴散速度大于氮的擴散速度，在不同壓力下對氧氣吸附量的不同，根據純度變化梯度情況，循環往復地提純，在PSA制氮系統雜質的排氣處設置工藝循環壓縮機，加大雜質氣體的排放能力，以達到高效提純的目的，最終可獲取99.999%的高純氮氣。制氧則采用變壓吸附分離與膜分離的耦合工藝技術，空氣首先進入PSA制氧工藝的沸石分子篩床層進行初步分離后形成的富氧氣體，進入PSA制氮工藝的碳分子篩床層，以變壓吸附工藝進一步脫除一部分氮氣以及少量氬氣，通過循環壓縮機增壓后送入膜分離器，脫除富氧中的氬氣，循環提純獲得純度為99.5%的航空呼吸用氧。

1.1 空氣源

空氣源采用空氣壓縮機供氣，以滿足后續制氧、制氮對壓縮原料空氣的需求。壓縮機將空氣壓縮后并通過空氣預處理系統（包括干燥及過濾）處理，脫除其中夾帶的固體顆粒以及油份、水分和部分二氧化碳，從而為制氧、制氮提供潔凈的壓縮空氣。經過預處理的壓縮空氣經過緩沖罐向后級分離系統供氣，同時也為各分系統的氣動控制閥提供氣源。

1.2 高純氮制取

制取高純氮氣采用變壓吸附工藝技術，變壓吸附制氮裝置主要由兩個裝填有碳分子篩的吸附床層、氣動控制閥以及控制系統組成。圖1為高純氮制取工藝流程圖。

圖1 高純氮制取工藝流程

經過預處理的壓縮空氣作為原料氣，由上至下流經其中一個吸附塔，根據氧在碳分子篩床層微孔系統狹窄空隙中的擴散速度大于氮的擴散速度，在不同壓力下對氧氣吸附量不同的原理，其間氧氣分子在吸附劑表面吸附，氮氣由吸附塔下端流出,進入緩沖罐。經過一段時間后吸附塔中吸附劑被所吸附的氧飽和,需進行再生，壓縮空氣被切換至第二個吸附塔，新的吸附過程開始，再生還原后的碳分子篩將進入下一個循環過程。再生通過停止吸附、降低吸附塔的壓力實現，其壓力下降,以脫除碳分子篩中吸附的氧和少量的其他雜質氣體，為了讓碳分子篩吸附的氧氣釋放的更徹底，在吸附塔的排空口設置一臺工藝壓縮機，達到分子篩高效再生還原和氣體提純的目的，在兩吸附塔進行均壓時，吸附完畢的吸附塔將粗氧送入解吸完畢的吸附塔底部，使即將進入吸附周期的吸附塔產出的氮氣純度較前一周期有所提高。

1.3 航空呼吸用氧制取

制取航空呼吸用氧采用變壓吸附分離與膜分離的耦合工藝，變壓吸附制氧裝置主要由兩個裝填有沸石分子篩的吸附床層、兩個裝填有碳分子篩的吸附床層、氣動控制閥以及控制系統組成。膜分離提純裝置主要由一組分子篩膜分離器組成、氣動控制閥以及控制系統組成。圖2為航空呼吸用氧制取工藝流程圖。

圖2 航空呼吸用氧制取工藝流程

經凈化后的壓縮空氣進入其中一個裝有沸石分子篩的吸附塔后，原料氣在連續通過沸石分子篩時，氮氣在沸石分子篩的多孔構造中在一定時間內優先吸附在沸石分子篩的表面。由此氧氣將在床層的出口端富集，初步分離后形成94%的富氧氣體，而氮氣則被留在沸石分子篩中。當第一個吸附塔沸石分子篩吸附趨于飽和時，壓縮空氣被切換至第二個吸附塔，新的吸附過程開始。與此同時，氮氣吸附飽和的吸附塔開始解析，吸附塔氣體排空，氮氣隨壓力降低而解析排空。再生還原后的沸石分子篩將進入下一個循環過程。

經沸石分子篩分離后的純度為94%的富氧氣體進入碳分子篩床層，以變壓吸附工藝由其中一個吸附塔碳分子篩吸附氧氣，脫除部分氮氣和少量氬氣，當碳分子篩吸附飽和時，通過工藝壓縮機將其抽出，碳分子篩解析再生，通過循環，形成純度為99.2%的氧氣。

經碳分子篩提純后的99.2%的氧氣通過工藝壓縮機將其增壓后送入膜分離器，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。氧氣進入膜分離器后，沿著膜分離器軸向形成一定的純度梯度，在靠近膜分離器入口端氧氣純度最高，在靠近出口端則是純度更低的富氬氣體，中間部分是純度次之的氧氣，將在特定的時間段送到成品罐，用以維持后端增壓系統的壓力。出口端被排出的氣體則根據純度的不同分別再次進入沸石分子篩床層或碳分子篩床層以提高回收率，其中進入碳分子篩床層的富氬氣體將沿著碳分子篩床層進行氧氣的吸附，同時少量氬氣由碳分子篩床層下端廢氣口排出。在碳分子篩吸附塔吸附飽和時，由工藝壓縮機將吸附的氧氣抽回到膜分離器入口端，至此送入的比原料氣更高純度的氧氣將沿著膜分離器軸向形成始端更高的氧氣純度，從而獲得更高純度的氧氣。同時將含有少量氬氣的富氧不斷地引導回流進入提純系統作為吹掃載氣，進行循環分離與回收。如此循環往復，在邏輯控制閥的引導下，膜分離器中因不斷送入的低、次、純的各種不同的氧氣而獲得穩定的純度梯度，實現連續提純獲得99.5%純度的航空呼吸用氧。圖3為增壓灌充工藝流程圖。

1.4 增壓灌充

圖3 增壓灌充工藝流程

為滿足裝備對氧氣和氮氣壓力的需求，采用獨創的氧氮一體化隔膜壓縮機（專利號∶ZL 2012 2 0661305.3）對產出的氧氣和氮氣進行增壓，該隔膜壓縮機采用氧、氮各級壓縮腔分離，避免了二次污染，降低了整機質量。氣體壓縮時，隔膜壓縮機首先把前級分離的氧氣或氮氣通過多級增壓提高到所需壓力（≤35MPa）對外灌充，同時增壓管路通過風冷，確保供氣溫度低于50℃。在對外灌充處安裝快速接頭，連接充氣軟管即可對外進行灌充所需壓力的氮氣、氧氣。

1.5 系統控制

系統設置在線檢測露點儀和純度控制儀，以自動檢測和控制氣體純度與露點指標，當氧氮氣純度、常壓露點達不到預定指標時，切換電磁閥自動排空，合格后的氣體方可進入增壓系統。操作系統采用以寬溫型觸摸屏為主要顯示界面，設置兩種操作模式，手動操作和全自動一鍵操作，系統管路中設置保護功能，加裝壓力傳感器和溫度傳感器，實時監測氣體壓力和溫度，當溫度、壓力高于設定值時可通過電磁閥，自動切斷氣路，并設置燈光報警，減少繁瑣的過程操作，避免人為誤操作。各設備依靠PLC的集中控制技術，自動進行調整、運行。集成的儀控系統可有效地監控整套制氧、制氮系統，確保設備長期穩定可靠運行，儀控系統檢測點設置充分考慮到系統運行各項工藝參數的采集與安全檢測等多方面的需要。

2 結語

采用變壓吸附和膜分離相耦合的技術制取航空呼吸用氧和高純氮氣。克服了深冷法在制氣時間、機動保障等方面存在的不足；能夠提高野外等惡劣環境下的快速保障能力；采用全自動電子和氣體控制技術、在線自動監測技術，實現單人操作和實時監控，提高系統安全和保障效率；采用優化的系統工藝流程，實現2小時內制取合格氣體；獨創研制的氧氮聯合隔膜壓縮機，保證了氧氣和氮氣增壓的品質安全；具備35MPa對外供氣增壓能力，滿足現役所有飛機的用氣需求。