浅析空分装置工艺流程的选择

李朝荣（内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司,内蒙古 赤峰 025350）

1 空气分离工艺简述

我国的空气分离技术具有悠久的发展历史，在早期常用的工艺为低温深冷分离工艺，但随着技术的发展，结合国内空气分离装置的现状，目前主要存在的空气分离工艺有三种，分别是：变压吸附工艺、膜分离工艺、低温精馏工艺。

1.1 变压吸附工艺

变压吸附工艺主要使用了分子筛作为吸附剂，通过压力的改变，空气原料中的氮氧分子在分子筛的作用下，形成吸附力差异。经过一段时间之后即可实现氮氧分子的分离（吸附相富集和气体相富集），随即进行氮氧分子的卸压（变压过程），分子筛在卸掉氮氧分子之后可以循环使用。这种通过分子筛吸附并改变压力收放氮氧分子的工艺，就被称之为“变压吸附工艺”。

在实际的生产流程中，还需要进行空气净化环节，去掉空气中存在的杂质，并送入缓冲罐等操作。变压吸附工艺的造作流程并不复杂，但获取的氮氧产品质量较低。

1.2 膜分离工艺

从原理上来说，膜分离技术应用的扩散原理，即根据气体在膜中溶解和扩散的系数差异，实现不同的渗透速度来实现空气成分的分离。不难看出，分离膜的性能好坏，决定了空气分离工艺的水平。空气原料在膜的两侧作用，渗透率快的部分与渗透率慢的部分实行自然分离，但为了保障产率，一般会使用催化剂；实际生产过程中依然要先通过净化预处理系统。

膜分离工艺是所有工艺类型中最灵活的，通过更换不同的纤维材质膜，就可以得到不同种类和纯度的气体产品。实践研究证明，膜分离工艺所面临的压力越大，产量就越大，因此发展纤维膜技术是这一工艺的核心问题。

1.3 低温精馏工艺

低温精馏工艺是低温深冷空气分离工艺的升级版，其原理是利用空气中氮氧分子的物理特性不同来实现的。氧分子和氮分子的沸点不同，在高压低温的情况下首先对空气进行液化，随后经过精馏，传热分离已经转化为液态的空气，从而分离氧分子和氮分子。

这一工艺在实际的应用中保留了大量的传统手段，如空气压缩机、净化装置、热交换系统以及精馏系统等等。

相比较前两种工艺而言，低温精馏工艺具有很明显的特点，即可以实现产品的高纯度性。

低温精馏工艺受到新工艺的冲击，主要是由于其自身的流程较为复杂，装置启动时间过长等缺陷。尤其是装置本身造成的不便性，包括空气压缩机、净化器、热交换系统等等，初始化投资成本要远远高于分子筛和膜分离工艺。

但不可否认的是，要获得高纯度的氮、氧产品（尤其是液态产品），在常温下是无法实现的，低温深冷工艺依然是不可或缺的。

2 空分装置工艺流程的选择

空气分离装置的应用范围广泛，品种多样，不同的行业在选择的过程中，要根据自身的需求确定。在了解了主要的空气分离装置工艺原理之后，还要确定用户究竟要生产怎样形态的产品（液态或气体），作者做出了如下的选择建议。

2.1 液态产品生产的工艺选择

空分装置及流程所对应的原料是气体形态，转化液体形态需要高压、低温等条件。综合以上工艺的特点，不难判断出，要得到液态产品低温精馏工艺是最佳的选择。这是因为，非低温状态下，尽管可以利用分子筛或者分离膜得到氮氧分子的集合，但在一个大气压的状态下，氧气（纯氧）的沸点是90.17K(-182.98℃),氮气（纯氮）的沸点是77.35K(-195.80℃),根本无法形成液态形式。

因此，要获得液态产品，必须对温度和压力做出考量，同时液态产品的存储工艺要求也十分严格，这与生产工艺实现对接需要严格的条件。

2.2 气态产品生产的工艺选择

气态产品的生产流程选择度很大，除了非低温精馏工艺之外，更多的用到了分子筛和分离膜，这两种工艺都可以实现循环生产，节约成本。但缺点是无法获得纯度较高的产品。

对于一些要求纯度较高的气态产品，主要采用全低压空分低温双塔精馏工艺。原因就在于，吸附、膜分离以及其他工艺虽然可以实现空分目的，但在高纯度方面的提取存在天然缺陷（工艺限制），全低压空分低温双塔精馏工艺可以实现纯度99.99%级别的工艺水准。

3 结语

通过以上内容介绍，对国内当前主要的空分工艺进行了分析，当前的空分装置工艺呈现出“新旧混杂”的局面。一方面，新工艺的出现大大提升了空分装置工艺的产量，节约成本，提高效率；但另一方面，新工艺还无法完全代替传统工艺，为了获取高纯度的产品，传统工艺依然具有发展前景。综合以上的研究成果，我国未来的空分装置工艺发展还有待进一步的提升，注意结合各自优点，从流程体系入手，满足经济发展需要和环境生态需要。

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