制氧技术的发展现状

万方数据
．３４．
洁净与空调技术ｃＣ＆ＡＣ
２００９正
氧产品经过“液氧泵内压缩产品氧空气分离流程” 净化处理，符合医疗用氧要求后，可充灌高压钢瓶 在工程内备用。使用时要注意安全问题：一是要每 天专人定时检查钢瓶的密封件。因为钢瓶压力高， 长期储存易漏气。二是定期检查供氧管路。若管路 中有焊渣、铁锈、油脂或其它固体物质，在供氧量 较大、流速较快时，夹带这些物质与管壁摩擦，会 导致燃烧或爆炸。三是杜绝工业用氧混入其中。工 业用氧价格低廉，但质量要求较低，只能用于工业 生产及产品加工。其中含有一氧化碳、二氧化碳、乙 炔等对人体极为有害的杂质，一旦病人吸入过量， 会引发或加重呼吸系统的病症，严重者导致生命危 险。
３０
１．３３ｘ１０＂６ ８．０ｘ １０＂８ ５．７３ｘ １０‘９ ４．２７×ｌＯ。９
１．４９ ２．１４ ３．９ ４．０
聚苯乙烯（ＰＳ） 聚苯氧（ＰＰＯ）
３０
３．２×１０’９
３．１
３０
３．０６ｘ １０。’ｏ
５．９
中国科学院兰州分院的样机可得到浓度为 ２６％～３１％的富氧空气。中国科学院大连化学物理 研究所样机可得到氧浓度为２８％一３０％的富氧空 气。
‘１．３物理方法之三：低温精馏压缩氧 低温精馏用于大规模工业制氧已有百年的历
史，系统组成复杂。其原理是利用不同气体的液化 点不同，通过空气压缩低温制取不同气体。主要的 设备有：空气净化设备、空气压缩机、膨胀机、换 热设备、精馏设备、氧气压缩机、液氧泵等，见图 ３和图４。
低温精馏法虽然在－Ｌ程内无法ห้องสมุดไป่ตู้接使用，但其
万方数据
第２期
制氧技术的发展现状
．３３．
氧气缓冲、检测系统由缓冲罐、调压阀、节 流阀、流量计、氧气分析仪和压力表等组成。缓 冲罐有２个作用：一是使产品气中氧含量波动平 滑；二是使产品气流量较为平稳。吸附塔内产生 的氧气首先贮存在缓冲罐内，由调压阀按需要调节 压力，由节流阀结合氧气纯度来调节流量。在制 氧设备运行过程中，当氧气纯度低于设定值时， 氧气分析仪发出灯光信号报警。缓冲罐设有安全 阀，当系统超压时可向外排空。
ＰＳＡ氧氮分离系统由吸附塔（ＰＳＡ氧氮分离系 统必须有Ａ、Ｂ２个以上的吸附塔）、消声器、气 动阀、压力表等组成。干燥的压缩空气经调压 阀、球阀，通过气动阀的开启，以一定的压力和 时间间隔交替进入吸附塔Ａ（或Ｂ）内，其中带 极性的氮分子被沸石分子筛优先吸附，而氧分子则 通过吸附塔流出，经过单向阀、节流阀输出。当 一个吸附塔处于进气吸附产氧过程时，另一个吸附 塔则处于排气解吸再生过程。
１．２．２薄膜材料 空气分离制氧用薄膜材料多采用高分子聚合
膜。理想的膜材料要具有高的氧渗透系数和氧、 氮分离系数，现有的膜材料只能作到氧的渗透系数 略高于氮的渗透系数，制得富氧空气。表１是空 气分离制富氧用聚合膜的特性数据。
表１空气分离制富氧用聚合膜特性
膜材料 硅橡胶（ＳＲ）
温度 氧渗透系数 氧氮分
２００９年６月
第２期
制氧技术的发展现状
解放军后勤工程学院覃安安宰张素云
摘要 对制氧技术进行了分类。对各类制氧技术的工作原理、装置材料、制备方法、应用范围、优缺点作了 概述，并阐述了各类制氧技术的发展历程。 关键词 制氧；原理；发展
Ｔｈｅ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｘｙｇｅｎ－ｍａｋｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
１．１．２ ＰＳＡ分子筛制氧的特点 优点：解决了以往制氧采用空气分离的深冷制
氧方法设备大、复杂、只能大量生产氧的问题。 沸石分子筛容易制造，可以在市场上购到。氧气 浓度可达９０％以上，输出压力在０．２ ＭＰａ～０．６ ＭＰａ，可充到氧气袋中。
缺点：依赖洁净的大气环境，战场上无法保 障。使用寿命短，一般分子筛的使用寿命不超过 ５年。分子筛容易粉化形成尘埃，从ＰＳＡ分子筛 出来的氧气含尘量比空气中含尘量多，需进行过滤 后才能使用。由于分子筛易吸附水，需将经过分 子筛之前的空气降到露点温度．２０℃以下脱水。制 出的氧气特别干燥，需配增湿器增湿后才能使用。 切换阀门多，动作频繁，设备故障率高，运动噪 声也大。氧纯度在９０％以上，不能直接供人使用， 需将氧浓度降到３０％左右。
２．２．２再生装置
（１）类型 空气再生装置可以分成３种类型：静态式、对 流式和鼓风式。静态式空气再生装置是最简易的设 备。它是直接将再生药剂暴露在密闭空间大气中进 行空气再生。这种方法和装置现在已不使用。 对流式空气再生装置利用超氧化物再生药剂与
万方数据
第２期
制氧技术的发展现状
．３５．
空气中的水蒸汽、二氧化碳反应放出的热量，灼 热进入装置的空气含有氧气的热空气不断地从装置 内上升到装置上部出气口而退出。同时，含有二氧 化碳、水蒸汽的冷空气不断地从下部进入装置内， 这样由温差造成空气由下而上通过装置的自然对流。
２．３化学制氧方法之三：氯酸盐氧烛热分解 ２．３．１基本原理
氯酸盐产氧剂是以氯酸盐（如氯酸钠）为主 体，以金属粉末作为燃料，添加少量的催化剂和除 氯剂和粘结剂，经机械混合，加压成型，制成混合 药柱，在特制的产氧器中，用电或明火引燃后，便 能沿柱体轴向等面积地逐层燃烧，此种燃烧现象， 与蜡烛燃烧很相似，故名为氧烛。图８是荷兰海军 使用的氧烛制氧器。
图６水电解装置
２．２化学制氧方法之二：超氧化物氧气再生 ２．２．１基本原理
超氧化物氧气再生装置在我军发展得较早，自 上世纪５０年代从前苏联引入以来，经过不断发 展，在我军非缺氧地区工程应用非常广泛。其原 理利用碱金属的超氧化物（通常使用的超氧化物为 超氧化钠（ＮａＯ，）和超氧化钾（ＫＯ．））与二 氧化碳和水反应放出氧气ｆ３Ｊ。反应式如下：
，
Ｑｍ Ａｎａｎ ａｎｄ Ｚｈａｎｇ Ｓｕｙｕｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｌａｓｓｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｏｘｙｇｅｎ·ｍａｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅ
ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ·ｍａｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
图８荷兰海军使用的氧烛制氧器
碱金属的氯酸盐和高氯酸盐都可以由热分解而
产生纯净的氧气。化学反应式如下：
１．２物理方法之二：薄膜分离 １．２．１基本原理
膜分离依靠不同气体在膜中溶解和扩散系数的 差异而具有不同的渗透速度来实现气体分离。净化 后的压缩空气经过成千上万根中空纤维组成的膜分 离组件，由于气体各组分的分压在中空纤维内腔 （原料侧）与外腔（渗透侧）所形成的分压差， 所以当气流沿中空纤维内腔表面流动时，各组分在 共分压差的推动下，溶解、扩散、渗透到丝外。 氧气渗透速度快。所以渗透气流为富氧空气，压 力为一个大气压，从管壳排放口送出使用。
鼓风式再生装置始终使空气处于比较均匀的分 布状态以减少或避免空气流动的死角，比对流式装 置的体积小、重量轻。但它有消耗动力和产生噪音 的不足之处。
（２）６ ５型（钠）空气再生装置 经总参防化兵部和海司军械部批准，化工部大 沽化工厂于１９６１年承担试制超氧化钠空气再生药粒 的任务，原五机部山东机器厂同时承担试制空气再 生装置的任务。１９６３年试制出药粒并组装出装置样 机，试制样机的性能评价实验是在大沽化工厂进行 的。１９６３年秋季，做了２０多次密闭室的高、中、 低温条件试验，证明样机性能达到了原设计指标。 并于１９６４年，在密闭室内分别进行６人、８人和 １０人使用一套装置的补充实验，为工程兵在国防 密闭工事内实际使用空气再生装置提供了依据。 １９６４年１２月，在上海地区的坑道内试用。１９６５年 ８月，在天津召开了由总参防化兵部主持的再生装 置设计定型会议，会议同意设计定型。 ６５型（钠）空气再生装置部是空气对流式 的。其箱体的内侧壁上有１０对沟形板夹，侧壁下 端有两个板夹底座，以供垂直放置钢丝网板【４】，见 图７。
（℃） ｍＬ·ｃｍ／（ｃｍ２．ｓ·ｋＰａ） 离系数
２５
８．５３×１０。６
２．１５
聚苯醚（ＰＰＯ）
２５
２．２４ｘ １０‘９
４．４ｌ
三醋酸纤维素（ＣＴＡ） ３０
１．３３ｘ１０‘ＩＯ
５．８８
聚ｉ甲硅烷丙炔
３０ （ＰＴＭＳＰ）
聚二甲基硅氧烷
３０
（ＰＯＭＳ）
聚乙烯＿二甲磋凝
３０
（ＰＶＴＭＳ）
聚甲基戊烯（ＰＭＰ）
２Ｍｏ ２＋Ｈ ２０－－＞２ＭＯＨ＋３２０ ２
Ｈ２０
≈
４－÷０２ ２ＭＯ ２＋ＣＯ ２一Ｍ ２ＣＯ ３
２ＭＯＨ＋ＣＯ ２一Ｍ ２ＣＯ ３＋Ｈ ２０ Ｍ一钠、钾等碱性金属元素
过氧化物是一种很活泼的氧化剂，氧化能力胜 过元素氟、高锰酸盐等强氧化剂。超氧化物的氧化 能力比过氧化物还强。在处理、贮存和使用过（超） 氧化物时要特别小心，不能与木材、纸、布等可燃 物接触，以免引起燃烧与爆炸。但是，只要在燃烧 区有足够数量的可燃物时，燃烧将持续不断，过 （超）氧化物本身是不燃烧的，因此将它与可燃物相 隔离，是防火的有效措施。
每获得１ Ｉｎ３氧的同时，也获２ ｍ３的氢气。这 种方法需要消耗大量的电能：为了制得１ ｍ３的氧和 ２ ｍ３的氢需要消耗１２ ｋＷ／ｈ一１５ ｋＷｇａ的电能［２１。所
以水的电解法只用在能源极为充足并且非常便宜的 地方，且主要是为ＴＮ氢。氧作为副产品而获得。
水电解原理和装置见图５和图６。
图５水电解原理图
１．空气过滤器２．空气压缩机３．分子筛纯化器 ４一主热交换器５．液氮过冷器６．液氮节流阀７．精馏塔 ８．冷凝蒸发器９．节流阀１０．液窄节流阀１１．水封器
１２．储气罐１３．氧气压缩机１４．氧气灌充器 图３低温精馏制氧流程图
图４低温精馏制氧装置
２ 化学制氧 ２．１化学制氧方法之一：水的电解
当将直流电电极置于水中时，通电后水即分解 为氧及氨，为了提高水的导电度，加入２０％的氢氧 化钠溶液。氧积聚在阳极附近，氢积聚在阴极附近。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉｎａｎ２＠ｔｏｍ．ｏ眦
收稿日期：２００９．２．２０
图２变压吸附制氧样机
空气净化系统由空气压缩机、冷冻干燥机、 过滤器、空气缓冲罐和阀门组成。从空气压缩机 输出的压缩空气经冷冻干燥机强制冷却到５℃左 右，空气中的水气凝结成液态水，通过分水过滤 器分离并过滤，由排污阀排出，使压缩空气露点 达到．２０℃后，经两级过滤器过滤、活性炭过滤器 除油，得到干燥的压缩空气，通过空气缓冲罐提 供给ＰＳＡ氧氮分离系统使用。
１ 物理制氧 １．１物理方法之一：变压吸附 １．１．１基本原理
ＰＳＡ分子筛是一种变压吸附制氧设备，主要是 由空气净化系统、ＰＳＡ氧氮分离系统、氧气缓冲、 检测系统等组成【ｔ】，见图Ｉ和图２。
图ｌ变压吸附制氧流程 幸覃安安，男。１９８ １年１１月生，硕士，讲师
４０００４１重庆市渝州路７９号解放军后勤工程学院 国防建筑设备工程教研室 １５９（１２３１００３４
１．２．３薄膜分离制氧的特点
优点： （１）增容方便。通过增加膜组件可以很容易 地扩大系统的产氧量。（２）无需操作人员特别照 管。（３）少保养。由于阀门少，所以不需定期更 换移动组件。（４）重量轻，结构紧凑，节省空间。 （５）易于安装和启动，启动时间不超过１０ ｍｉｎ。 （６）富氧膜分离器具有较高的分离系数和渗透速 度，其氧气／氮气的分离系数为５—７。（７）无负 压和变压过程。（８）因具有全调节功能，在要求 产氧量降低时，可大大节约能源。（９）中空纤维膜 的使用寿命通常超过ｌＯ年。 缺点： （１）必须有新鲜、洁净的大气环境，战场上 无法保障。（２）中空纤维膜需进口，目前国内还 不能制造。（３）制氧的浓度为３０％～５０％，虽可直 接供人使用，但若充满氧气袋其袋内含氧量偏低。
Ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｌ）ｅＳ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ－ｍａｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
’
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｏｘｙｇｅｎ·ｍａｋｉｎｇ；Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
０ 引言
制氧技术可按不同的方法进行分类。通常将 其划分为物理制氧、化学制氧两大类。物理方法 制氧主要是空分精馏压缩制氧（包括变压吸附、 薄膜分离、低温精馏等）。化学方法制氧包括： 水的电解、超氧化物、氯酸钠氧烛等。