王 靜，丁玉峰

（神華榆林能源化工有限公司，陜西咸陽(yáng) 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(yáng) 719000）

如今，從空氣中分離出來的很多氣體，如氮?dú)?、氧氣、氫氣等都在被人們?cè)絹碓綇V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(gè)方面進(jìn)行分析，通過各自原理尋找兩者最佳空氣分離裝置，從而對(duì)空氣中各種有效成分進(jìn)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(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的提出，使得人更加注重對(duì)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(duì)空氣進(jìn)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(huì)生產(chǎn)的巨大需要，同時(shí)也能促進(jìn)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(jìn)氣體的有效分離方面都起了至關(guān)重要的巨大作用。

1 深冷分離法–通過一種機(jī)械的手段來分離氣體的方法

深冷分離法，簡(jiǎn)單的講即為通過不同的溫度來最大程度的對(duì)氣體進(jìn)行分離。主要是采取一種機(jī)械性的方式，例如通過不同手段讓氣體實(shí)現(xiàn)膨脹，再根據(jù)各種不同氣體各自的沸點(diǎn)不同，對(duì)它們?cè)龠M(jìn)行降溫冷卻。不同的氣體通過這種方式實(shí)現(xiàn)了較為精準(zhǔn)的分離。在我國(guó)，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(duì)較高，但是在分離過程當(dāng)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?dú)夂脱鯕獾闹迫【头浅＿m合，而在分離在空氣中所占比重較小的氣體時(shí)則顯示出他的不足與局限性。盡管我們當(dāng)前在改進(jìn)技術(shù)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(jìn)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(kuò)散的不同來分離氣體的方法

膜分離法，相對(duì)于現(xiàn)有的空氣分離技術(shù)，它則屬于新一代的氣體分離技術(shù)。主要是通過運(yùn)用一定的壓力，依據(jù)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(kuò)散存在的各種不同，使氣體中的各種成分進(jìn)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(xué)反應(yīng)出現(xiàn)，不使用任何化學(xué)添加，同時(shí)成本較低，能源的消耗較少，它適應(yīng)性也較為強(qiáng)大，裝置水平的配置規(guī)模大小要求也較低，安全系數(shù)高，可信賴度較高，當(dāng)然應(yīng)用也比較廣泛。在當(dāng)前社會(huì)，這種技術(shù)相對(duì)也已經(jīng)比較成熟，并且在很多氣體分離的領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益也已經(jīng)成為分離技術(shù)中最重要的手段之一。它被發(fā)達(dá)國(guó)家所稱贊，認(rèn)為其創(chuàng)造性再造了更多的可用資源，是一項(xiàng)人類為之自豪的技術(shù)進(jìn)步。

膜分離法在不斷發(fā)展，膜的材質(zhì)也在不斷的更新?lián)Q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(fā)研制了一些新興的膜材料，如復(fù)合膜、納米材質(zhì)的過濾膜，功能高分子膜等。有關(guān)學(xué)者也曾預(yù)測(cè)，在膜上的創(chuàng)新與突破，將會(huì)成為影響該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)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(duì)應(yīng)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(jiǎn)單。它把空氣作為原料，經(jīng)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(tài)的空氣。大致如下：空氣在進(jìn)入壓縮機(jī)之前要先通過空氣的過濾裝置進(jìn)行過濾，使其更加純凈后再進(jìn)入空氣壓縮裝置中，壓縮到了具有合適壓力后再進(jìn)入空氣的冷卻裝置中，使空氣的溫度迅速地降低。在此基礎(chǔ)之上，再對(duì)空氣進(jìn)行干燥處理，可以通過空氣干燥凈化器來進(jìn)行，使空氣中一些不被需要的物質(zhì)被清除，比如所含的水分、二氧化碳等物質(zhì)。在空氣分離的裝置的設(shè)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(jìn)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(tài)氣體通過冷卻裝置達(dá)到最佳溫度時(shí)，再送入凈化蒸餾容器的底部，在容器上部能夠充分搜集氮?dú)?，在底部的液態(tài)空氣再進(jìn)行冷凝，通過一系列的冷凝裝置進(jìn)行冷凝蒸發(fā)，氮?dú)庾罱K被冷凝，部分最后對(duì)滯留的液體進(jìn)行分節(jié)設(shè)置。當(dāng)然，也可以把它再次流入主要的換熱增熱容器中，之后到達(dá)一定程度進(jìn)入膨脹的容器中進(jìn)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(huì)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(duì)空氣進(jìn)行徹底的凈化；另一方面即是空氣的最終分離。當(dāng)然，從空氣分離出來的液態(tài)氮?dú)庖矐?yīng)有專門的容器進(jìn)行液態(tài)的貯藏和運(yùn)輸。在對(duì)其設(shè)備進(jìn)行檢查時(shí)，必須要確保液態(tài)氮?dú)獾拿芊庑院?，安全的進(jìn)入對(duì)應(yīng)的容器里。

3.2 膜分離法基本原理及其對(duì)應(yīng)的空氣分離裝置

在從分子角度學(xué)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(shí)，進(jìn)行不斷選擇和分離的技術(shù)方法，同時(shí)具有對(duì)氣體所包含物質(zhì)進(jìn)行不間斷分離、高質(zhì)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(xì)小微粒等從分離出來。在有選擇透過的同時(shí)，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(xù)回到原處，而對(duì)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(cè)滲透物質(zhì)的分壓差使氣體物質(zhì)不斷的被分離。

在應(yīng)用的過程中，如要把氮?dú)鈴目諝庵袕氐椎胤蛛x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(shí)，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(zhì)會(huì)通過這層纖維膜的管道縫隙，進(jìn)入到大氣之中得以排放。同時(shí)在該膜的出口處，把分子尺寸較大的氮?dú)夥肿雍蜌鍤馊渴占饋?，進(jìn)入到相關(guān)的應(yīng)用設(shè)備里面。通過這種方式提取氮?dú)獾淖罡呒兌雀哌_(dá)99.5%以上，純度相對(duì)較高。當(dāng)然，要把氮?dú)?、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(shù)進(jìn)行。這種技術(shù)是通過固體狀態(tài)的介質(zhì)來分離空氣中的各種成分，所需的固體狀態(tài)的介質(zhì)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(diǎn)，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?dú)?、氧氣和少量的氬氣和水蒸氣。再加上氮?dú)夂脱鯕庥捎谄浞肿拥某叽绺鞑幌嗤嬖诓町?，作為吸附力較強(qiáng)的碳元素的分子篩會(huì)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(jìn)入，而氮?dú)庥捎诜肿映叽巛^大，不能被吸附，必然會(huì)被保留。這樣，通過這種裝置也能實(shí)現(xiàn)了空氣中有效氣體的分離。

隨著膜技術(shù)的迅速發(fā)展，也為我們實(shí)現(xiàn)空氣分離提供了更好的保障。從膜材質(zhì)的不斷變化和創(chuàng)新到技術(shù)的不斷進(jìn)步和提高，從我國(guó)的明顯落后到現(xiàn)在所能做出的重大成就，無一不是喜悅。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信空氣分離裝置也會(huì)越來越完善，分離的純度也會(huì)越來越高。

4 結(jié)語(yǔ)

面臨當(dāng)今社會(huì)資源的極度緊張，已完全不能滿足人們需求的現(xiàn)實(shí)，作為在已有物質(zhì)的基礎(chǔ)上有計(jì)劃地進(jìn)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(diǎn)給大家以啟示和鼓勵(lì)。也希望大家能夠共同努力，為資源的再利用、創(chuàng)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(yáng)人，助理工程師，主要從事煤化工工作。