巫小元，崔仁鮮，化　國

(中國昆侖工程公司，北京 100037)

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·綜述評論·

淺析空氣分離方法和工藝流程的選擇

巫小元，崔仁鮮，化國

(中國昆侖工程公司，北京 100037)

摘要:介紹了變壓吸附分離、膜分離和低溫分離三種空氣分離技術(shù)的原理和流程。并對三種分離技術(shù)的工藝流程特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)空分裝置規(guī)模大小和產(chǎn)品特點(diǎn)，選擇最優(yōu)化的空分工藝流程。

關(guān)鍵詞:空分；變壓吸附分離；膜分離；低溫分離；內(nèi)壓縮；外壓縮

空氣分離是根據(jù)空氣中各組分物理性質(zhì)的不同，采用變壓吸附、膜分離或低溫分離等方法，從空氣中分離出氧氣、氮?dú)?，或同時提取氬氣、氦氣等稀有氣體的過程。

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，不同規(guī)模的空分設(shè)備廣泛運(yùn)用于鋼鐵冶金、電子、化工、煤化工、航空航天和油氣開采等行業(yè)，空分設(shè)備也具有較為廣闊的發(fā)展前景。

作為工程設(shè)計人員，要掌握空分裝置的不同工藝和流程的特點(diǎn)，設(shè)計時，能夠根據(jù)用戶所需產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)要求，準(zhǔn)確分析其工況特性，為用戶選擇合理的空分工藝和流程。既要防止盲目追求新的工藝技術(shù)，又要保證所選擇的工藝流程安全可靠，高效節(jié)能,節(jié)省投資，創(chuàng)造效益。

1 空分工藝技術(shù)和流程介紹

常見的空氣分離有低溫分離工藝和非低溫分離工藝。非低溫分離工藝又包括變壓吸附分離技術(shù)和膜分離技術(shù)。

1.1變壓吸附分離技術(shù)

1.1.1變壓吸附分離技術(shù)原理

變壓吸附分離技術(shù)是以壓縮空氣為原料，以分子篩為吸附劑，在一定的壓力下，利用空氣中氧氣和氮?dú)夥肿釉诓煌肿雍Y表面吸附量的差異，在一定時間內(nèi)氮(氧)在吸附相富集，氧(氮)在氣體相富集，實現(xiàn)氧、氮分離；而卸壓后分子篩吸附劑解析再生，循環(huán)使用。

1.1.2變壓吸附分離流程

變壓吸附分離工藝流程見圖1?？諝饨?jīng)空壓機(jī)壓縮，通過凈化系統(tǒng)清除有害雜質(zhì)后，進(jìn)入吸附塔；在吸附塔內(nèi)，填裝不同種類的吸附劑有針對性地吸附氧(氮)分子，從而使未被吸附的氮(氧)氣富集并在吸附塔頂部得到高純度產(chǎn)品氣體。當(dāng)前變壓吸附多采用A、B雙塔流程，當(dāng)一組進(jìn)行吸附工作時，另一組進(jìn)行降壓解吸。雙吸附塔按照設(shè)定的時序交替工作，實現(xiàn)連續(xù)供氣。通過改變吸附劑和吸附壓力，可獲得不同質(zhì)量等級的氧氮產(chǎn)品[1]。

圖1　變壓吸附空氣分離制氮工藝流程圖

1.2膜分離技術(shù)

1.2.1膜分離技術(shù)原理

膜分離技術(shù)是應(yīng)用氣體的擴(kuò)散原理，利用原料氣中不同氣體對膜材料具有不同的滲透率,以膜兩側(cè)氣體的壓力差為推動力,在滲透側(cè)得到滲透率大的氣體富集的物料,在未滲透側(cè)得到不易滲透氣體富集的分離氣,從而達(dá)到氣體分離目的。

1.2.2空氣的膜分離流程

空氣膜分離工藝流程見圖2?？諝饨?jīng)空壓機(jī)壓縮、經(jīng)過濾和干燥系統(tǒng)過濾除油、干燥除水分，進(jìn)入加熱器加溫到50℃左右，然后進(jìn)入膜分離器(中空纖維膜組)。壓縮空氣在膜兩側(cè)壓力差作用下，氧、二氧化碳、水蒸氣等滲透速率快的“快氣”由高壓內(nèi)側(cè)纖維壁向低壓外側(cè)滲出，在膜的滲透側(cè)富集，引出的富氧氣放空；而滲透速率相對慢的氮?dú)獗粶粼谀さ臏魝?cè)，被富集進(jìn)入產(chǎn)品氮?dú)夤?，從而達(dá)到空氣中氧氮分離。通過選擇不同的透析膜，可獲得不同純度的氧、氮產(chǎn)品[2]。

圖2　空氣膜分離制氮工藝流程圖

1.3低溫空氣分離技術(shù)

1.3.1低溫空氣分離技術(shù)原理

低溫空氣分離技術(shù)是以空氣為原料，經(jīng)過壓縮、冷卻、凈化、透平增壓/膨脹、熱交換和精餾等過程，空氣先液化成為液空，然后利用液空中不同組分的沸點(diǎn)不同，經(jīng)過精餾塔傳熱傳質(zhì)，分離出氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾犬a(chǎn)品氣體。

1.3.2低溫分離工藝流程

低溫空氣分離工藝經(jīng)過100多年的發(fā)展，先后經(jīng)歷了高壓、高低壓、中壓和全低壓流程等多種不同的工藝流程。隨著現(xiàn)代空分工藝技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，高壓、高低壓、中壓空分流程已基本被淘汰，能耗更低、生產(chǎn)更安全的全低壓流程已成為大中型低溫空分裝置的首選。

全低壓空分工藝根據(jù)氧氮產(chǎn)品壓縮環(huán)節(jié)不同，又分為外壓縮流程和內(nèi)壓縮流程。全低壓外壓縮流程就是生產(chǎn)出低壓氧氣或氮?dú)?，然后?jīng)外置的壓縮機(jī)將產(chǎn)品氣體壓縮至所需壓力供給用戶，見圖3[4]。

AC.空冷塔;AF.空氣過濾器;AP.液氬泵;TC.離心空壓機(jī);BT1.增壓/膨脹機(jī);C1.下塔;C2.上塔;C701.粗氬塔I;C702.粗氬塔I;C703.精氬塔;E1.主換熱器;E2.過冷器;EH.電加熱器; ET1.透平膨脹機(jī);K1.主冷凝蒸發(fā)器;K701.粗氬冷凝器;K702.粗氬液氬器;K703.精氬冷凝器;K704.精氬蒸發(fā)器;MS1/2.分子篩純化;WP1,WP2.水泵;WC.水冷塔;AS1/AS2.放空消音器;OTC.氧壓機(jī);NTC.氮壓機(jī)

圖3某30 000 Nm3/h空分裝置工藝流程圖

Fig.3Process flow diagram of a 30 000 Nm3/h air separation unit

全低壓內(nèi)壓縮流程就是取消氧壓機(jī)或氮壓機(jī)，直接從空分裝置冷箱內(nèi)生產(chǎn)出中高壓氧氣或氮?dú)夤┙o用戶。該流程與外壓縮流程的主要區(qū)別在于，高壓產(chǎn)品氧氣或氮?dú)獾墓┙o壓力是由低溫液體在冷箱內(nèi)經(jīng)液體泵加壓達(dá)到，液氧或液氮在主換熱器內(nèi)與經(jīng)過增壓機(jī)增壓后的高壓空氣進(jìn)行熱交換從而復(fù)熱氣化，然后供給用戶。某空分裝置雙泵內(nèi)壓縮流程，見圖4。

AC.空冷塔;AF.空氣過濾器;AP.液氬泵;BT1.增壓/膨脹機(jī);C1.下塔;C2.上塔;C701.粗氬塔I;C702.粗氬塔I;C703.精氬塔;E1.主換熱器;E2.過冷器;EH.電加熱器;ATC1.空氣離心空壓機(jī);ATC2.空氣循環(huán)壓縮機(jī); ET1.透平膨脹機(jī);K1.主冷凝蒸發(fā)器;K701.粗氬冷凝器;K702.粗氬液氬器;K703.精氬冷凝器;K704.精氬蒸發(fā)器;MS1/2.分子篩純化器;WP1,WP2.水泵;WC.水冷塔;AS1/AS2.放空消音器

圖4某50 000 Nm3/h空分裝置工藝流程圖

Fig.4Process flow diagram of a 50 000 Nm3/h air separation unit

2不同空分工藝流程的特點(diǎn)

2.1變壓吸附工藝流程特點(diǎn)

1.變壓吸附采用雙吸附塔流程，一塔吸附，另一塔解析再生；兩塔交替工作，可實現(xiàn)連續(xù)供氣，具有工藝流程簡單，產(chǎn)品純度高，操作彈性大的特點(diǎn)。

2.自動化程度高，操作維護(hù)費(fèi)用低，吸附劑壽命長，投資省。

3.變壓吸附工藝的產(chǎn)品氣提取率受純度影響較大。以變壓吸附制氮裝置為例，氮?dú)饧兌扰c壓縮空氣消耗的比例關(guān)系，見圖5[1]。

圖5　變壓吸附制氮空氣消耗與氮?dú)饧兌汝P(guān)系

圖6　膜分離氮?dú)猱a(chǎn)量、純度和壓力的關(guān)系

2.2膜分離工藝流程特點(diǎn)

1.選擇不同的中空纖維膜，可以獲得不同的氣體產(chǎn)品，但不能同時生產(chǎn)兩種產(chǎn)品氣體。

2.膜分離裝置可在較大的壓力范圍內(nèi)工作，工作壓力越高，產(chǎn)量越大。生產(chǎn)的氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.99%，露點(diǎn)低于-65℃，供氣壓力可高達(dá)35 MPa。氮?dú)猱a(chǎn)量、純度和壓力的關(guān)系，見圖6[2]。

3.膜分離裝置可得到純度40%～60%的富氧空氣，但不能生產(chǎn)高純度的氧氣。

4.運(yùn)行可靠、壽命長。膜空氣分離制氮系統(tǒng)靜態(tài)運(yùn)行，沒有運(yùn)動部件，連續(xù)工作可靠性高；一般情況下膜組使用壽命可達(dá)15a。

2.3低溫分離工藝流程特點(diǎn)

2.3.1與非低溫分離工藝流程比較

1.工藝流程復(fù)雜，由空氣壓縮、冷卻、凈化、熱交換、精餾和制冷系統(tǒng)組成。

2.操作復(fù)雜，裝置啟動時間長(需24 h以上)，只適用于連續(xù)生產(chǎn)工況。

3.機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備較多，運(yùn)行和維護(hù)成本高，投資成本高。

4.工藝可靠，產(chǎn)品多樣化。雙塔精餾可連續(xù)生產(chǎn)高純度的氧、氮產(chǎn)品，氧純度可達(dá)到99.9%以上，氮純度可達(dá)到99.9999%，且產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。除氧、氮、氬外,還可分離出氖、氦、氪、氙等稀有氣體。

2.3.2全低壓空氣分離外壓縮和內(nèi)壓縮工藝流程比較

2.3.2.1工藝流程的差異

全低壓內(nèi)壓縮和外壓縮工藝的不同主要體現(xiàn)在精餾和換熱(見圖3、圖4)。外壓縮工藝是由精餾塔直接產(chǎn)生低壓氧氣或氮?dú)?；而?nèi)壓縮工藝是從精餾塔的主冷蒸發(fā)器抽取液氧或液氮，再由液氧泵或液氮泵加壓至所需壓力使其復(fù)熱氣化溫升至常溫后出冷箱。

2.3.2.2設(shè)備差異

全低壓內(nèi)壓縮工藝流程比外壓縮工藝多一臺高壓空氣壓縮機(jī)(增壓機(jī))；換熱系統(tǒng)采用高壓板翅式換熱器替代外壓縮工藝低壓板翅式換熱器；制冷系統(tǒng)內(nèi)壓縮采用中高壓膨脹機(jī)，外壓縮采用低壓膨脹機(jī)；內(nèi)壓縮氧氮產(chǎn)品用泵加壓，外壓縮用外置壓縮機(jī)加壓。

2.3.2.3安全性

內(nèi)壓縮靠液氧泵對液氧加壓，比外壓縮流程安全性高。外壓縮流程用氧壓機(jī)對氧氣加壓，氧氣在高溫下加壓，相對于液氧壓縮安全性低。

外壓縮流程中，碳?xì)浠衔镆自谥骼湟貉踔蟹e聚，主冷需定期排放液氧，以保證空分裝置的安全；而內(nèi)壓縮流程，液氧泵在主冷底部取液氧，可消除碳?xì)浠衔锏姆e聚，因此裝置的安全性得到提高。

2.3.2.4投資費(fèi)用

目前，國內(nèi)全低壓空分外壓縮和內(nèi)壓縮工藝技術(shù)均已十分成熟，外壓縮流程所有設(shè)備均可選用國產(chǎn)設(shè)備。但是對于內(nèi)壓縮工藝流程，尤其是5萬以上大型空分裝置，高壓板翅式換熱器、空氣增壓機(jī)、中高壓膨脹機(jī)和低溫泵等關(guān)鍵設(shè)備均需要進(jìn)口，因此內(nèi)壓縮空分裝置的設(shè)備投資費(fèi)用總體高于外壓縮。

3空分工藝流程的選擇

通過對空氣分離裝置的工作原理和不同工藝流程特點(diǎn)的分析，在工程設(shè)計中可依據(jù)用戶需求，本著技術(shù)先進(jìn)可靠、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能原則，按照以下方法對空分裝置的工藝流程進(jìn)行選擇。

3.1全氣態(tài)產(chǎn)品的工藝選擇

3.1.1氧氣產(chǎn)品的工藝選擇

對于用戶需求的產(chǎn)品為氣態(tài)氧氣、純度不大于95%，且規(guī)模較小的空分裝置，可選用變壓吸附或低溫精餾空分工藝。氧氣純度大于95%、且使用連續(xù)的則只能選用低溫精餾空分工藝。

膜分離工藝裝置不能制取高純度的氧氣，因此，該工藝只適用于鍋爐富氧燃燒、污水處理和醫(yī)療保健等對氧氣純度要求不高的行業(yè)。

3.1.2氮?dú)猱a(chǎn)品的工藝選擇

若所需產(chǎn)品為單一氮?dú)?，三種分離工藝都能滿足要求。但受工藝的限制，變壓吸附和膜分離工藝產(chǎn)品純度和氣體提取率(耗氣量)互相制約(參見圖5和圖6)，因而無法制取大量的純氮?dú)猱a(chǎn)品。

目前，常見的變壓吸附和膜分離工藝制取氮?dú)獾漠a(chǎn)量大都在5000 Nm3/h以下，產(chǎn)品純度可達(dá)95%～99.99%。

3.1.3雙高產(chǎn)品的工藝選擇

非低溫精餾工藝受本身工藝特性的限制，無法同時制取兩種以上的產(chǎn)品，更無法制取雙高產(chǎn)品(氧氣純度高于95%、氮?dú)饧兌雀哂?9.99%)。因此，當(dāng)有雙高產(chǎn)品需求時，只有選擇低溫雙塔精餾工藝。

3.2液態(tài)產(chǎn)品的工藝流程選擇

非低溫工藝無法獲得液態(tài)產(chǎn)品，因此，當(dāng)有液態(tài)產(chǎn)品需求時，低溫分離工藝是唯一的選擇。

3.3全低壓低溫精餾內(nèi)壓縮和外壓縮工藝流程選擇

3.3.1以產(chǎn)品氧氣壓力作為選擇依據(jù)

如果產(chǎn)品氧氣的壓力<3.0 MPa,則選擇內(nèi)、外壓縮流程皆可。外壓縮流程更為節(jié)能，且節(jié)省投資，但從安全角度考慮，內(nèi)壓縮流程更為可靠。如果氧氣的壓力≥3.0 MPa，宜選擇內(nèi)壓縮流程更為安全可靠。

3.3.2以產(chǎn)品中氣、液比例作為選擇依據(jù)

對于全低壓低溫精餾工藝，無論是選擇內(nèi)壓縮還是外壓縮工藝流程，都可制取液態(tài)氮、氧產(chǎn)品。但是液態(tài)產(chǎn)品占?xì)庋醍a(chǎn)品的比例，對裝置能耗的影響比較大。因此，應(yīng)根據(jù)液態(tài)產(chǎn)品的產(chǎn)量來選擇空分裝置。一般認(rèn)為，液態(tài)產(chǎn)品的產(chǎn)量高于8%氣氧的產(chǎn)量，選用全低壓內(nèi)壓縮工藝較為合理；液態(tài)產(chǎn)品的產(chǎn)量小于8%氣氧的產(chǎn)量，宜選用全低壓外壓縮工藝[1]。

4結(jié)論

在工程應(yīng)用中，不同行業(yè)、不同項目對氧氣和氮?dú)獾男枨笄Р钊f別。只有對不同空氣分離工藝的工作原理和工藝特點(diǎn)熟練掌握，方可指導(dǎo)我們在滿足用戶需求的前提下，選擇更加合理的工藝流程，既要考慮經(jīng)濟(jì)性、適用性，又要考慮安全性、可靠性，從而實現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

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Analysis of Air Separation Method and Process Selection

WU Xiaoyuan，CUI Renxian，HUA Guo

(China Kunlun Contracting & Engineering Corp.,Beijing 100037,China)

Abstract:The article introduces three kinds of air separation technology: PSA air separation, membrane air separation and cryogenic air separation. The flow characteristics of three kinds of separation techniques are compared and analyzed. According to the size of air separation devices and product characteristics, the optimal process and flow is chosen.

Key words:air separation；pressure swing adsorption separation；membrane separation；cryogenic separation；internal compression；external compression

收稿日期：2016-03-16

中圖分類號：TB657.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7804(2016)03-0001-05

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.03.001

作者簡介：

巫小元(1979)，男，高級工程師。重慶大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)，從事石油化工行業(yè)氣體技術(shù)的開發(fā)、工程設(shè)計和應(yīng)用10余年。E-mail：wuxiaoyuan@cnpc.com.cn