空气分离技术的研究进展

《低温技术》

结课论文

题目：空气分离技术的研究进展

学生姓名：刘帅

专业班级：13级能源二班

学号：541302060223

空气分离技术研究进展

摘要：空气分离技术是一种通过各种方法将空气中的不同组分分离开来的技术；随着科学技术的不断发展和新技术的不断涌现，各种新的空气分离技术不断涌现，就目前而言，主要有空气深冷液化分离、碳分子筛变压吸附空气分离和变压膜渗透空气分离三种技术在各种领域应用较多。由于膜分离没有相变、不需要再生，所以膜分离技术具有技术先进、投资少、操作费用低、寿命长、操作简单、开停机方便、占地面积小、操作弹性大、维护费用低等优点，变压膜空气分离技术将是21世纪最具潜力的空气分离技术。

关键：深冷分离，变压吸附，膜渗透，发展趋势

1空气分离技术的发展史

空气分离技术，以德国卡尔·林德教授于1985年和1903年先后发明了第一套空气液化设备和10m3／h(氧)空气分离设备算起，至今已有100年历史。在100年中，随着科学技术的不断发展和新技术的不断涌现，气体分离与液化设备不仅在品种、等级、性能和设计、制造技术等方面得到了很大的发展，日趋完善，而且在国民经济中的应用范围也愈来愈广泛。

就目前而言，主要有三种分离技术比较流行。

第一种是空气的深冷分离技术，这是一种最先出现的分离技术，早在一百多年前就已经被人们所应用，经过这一百年来的工业化生产的实践和不断对设备和生产技术的改进，空气的深冷分离技术已经很成熟的应用在各大煤化工企业之中。

第二种是空气的变压吸附分离技术，碳分子筛上的空气分离是基于动力学分离的原理,利用混合物中不同组分的扩散、吸附速率差来实现的。这里,吸附剂是变压吸附(PSA)技术的基础和核心,吸附剂的性能决定了整个吸附分离的工艺路线和操作条件,决定了分离效率、再生费用乃至影响整个过程的运转费用。

第三种是膜气体分离技术，膜气体分离是在稳态方式下进行,除了在启动时,膜分离器的进气压力和渗透侧压力均保持不变,且气体渗透速率和纯度也不随时间变化。膜气体分离已经广泛应用于石油、食品、化学、药品、农业等领域,如

制氢、富氧富氮、脱湿、脱二氧化碳等。

2空气深冷分离技术

空气深冷液化分离是利用深度冷冻原理将空气液化，然后根据空气中各组分沸点的不同，在精馏塔内进行精馏，获得氧、氮、一种或几种稀有气体（氩、氖、氦、氪、氙）。[5]根据冷冻循环压力的大小，空气深冷分离装置可分为高压（7～20MPa）、中压（1.5～2.5MPa）和低压（小于1MPa）三种基本类型，高压装置一般为小型制取气态产品和液态产品的装置；中压装置主要为小型制取气态产品的装置；低压装置多为中型和大型制取气态产品的装置。从原理上可以将空气深冷分离划分为以下几个过程：

2.1空气的过滤和压缩

大气中的空气首先经过空气过滤器过滤其灰尘等机械杂质，然后，在空气透平压缩机中被压缩到所需的压力，压缩产生的热量被冷却水带走。

2.2空气中水分和二氧化碳等杂质的清除

空气中的水分、二氧化碳如进入空分装置，在低温下会冻结、积聚，堵塞设备和阀门。乙炔进入装置，在含氧介质中受到摩擦、冲击或静电放电等作用，会引起爆炸。脱除水分、二氧化碳、乙炔等杂质的常用方法有吸附法和冻结法等。

空气分离系统中常用的吸附剂有硅胶、活性氧化铝和分子筛等。

2.3空气的冷却与液化

空气的液化指将空气由气相变为液相的过程，目前采用的方法为给空气降温，让其冷凝。工业上常用两种方法获得低温，即空气的节流膨胀和膨胀机的绝热膨胀制冷。

节流膨胀指连续流动的高压气体，在绝热和不对外做功的情况下，经过节流阀急剧膨胀到低压的过程。由于节流前后气体压力差较大，因此节流过程是不可逆过程。气体在节流过程既无能量收入，又无能量支出，节流前后能量不变，故节流膨胀为等焓过程。气体经节流膨胀后，一般温度要降低。温度降低的原因是因为气体分子间具有吸引力，气体膨胀后压力降低，体积膨胀，分子间距离增大，分子位能增加，必须消耗分子的动能。

绝热膨胀指压缩气体经过膨胀机在绝热下膨胀到低压，同时输出外功的过程。

由于气体在膨胀机内以微小的推动力逐渐膨胀，因此过程是可逆的。可逆绝热过程的熵不变，所以膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。气体经过等熵膨胀后温度总是降低的，主要原因是气体通过膨胀机对外做了功，消耗了气体的内能，另一个原因是膨胀时为了克服气体分子间的吸引力，消耗了分子的动能。

2.4冷量的制取

由于绝热不足造成的冷量损失、换热器的复热不足损失和冷箱中向外直接排放低温流体等因素，分馏塔需要补充冷量。分馏塔所需的冷量是由空气在膨胀和等温节流效应而获得的。

目前空气液化循环主要有两种类型：以节流为基础的液化循环；以等熵膨胀与节流相结合的液化循环。

节流膨胀循环，由德国的林德首先研究成功，故亦称简单林德循环。实际林德循环存在着许多不可逆损失，主要有：

1.压缩机组（包括压缩和水冷却过程）中的不可逆性，引起的能量损失。

2.逆流换热器中存在温差，即换热不完善损失。

3.周围介质传入的热量，即跑冷损失2.5精馏及空分流程。

2.5精馏过程

空气分离的基本原理是利用低温精馏法，将空气冷凝成液体，然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离。空气的精馏根据所需产品的不同，通常有单级精馏和双级精馏，两者的区别在于：单级精馏以仅分离分离出空气中的某一组分（氧或氮）为目的；而双级精馏以同时分离出空气中多种组分为目的。

3碳分子筛变压吸附空气分离

碳分子筛变压吸附空气分离法是20世纪50年代末才开发成功的，由于其独有的灵活方便、投资少、能耗低的优点，近年来变压吸附空分富氧技术在中小规模富氧应用领域得到越来越多地应用。碳分子筛上的空气分离是基于动力学分离的原理,利用混合物中不同组分的扩散、吸附速率差来实现的。这里,吸附剂是变压吸附(PSA)技术的基础和核心,吸附剂的性能决定了整个吸附分离的工艺路线和操作条件,决定了分离效率、再生费用乃至影响整个过程的运转费用。

4变压膜渗透空气分离