摘要：随着社会的发展，我国科技不断进步。空气分离，是指利用变压吸附、膜分离等技术，按照不同气体物理性质将空气中氧气、氮气、氦气等气体提取出来的过程。进入到21世纪以来，伴随着国民经济快速发展，工艺技术的不断完善，社会对各种气体的需求量在不断攀升，各种形式的空气分离技术与设备被研发并推广。空气分离技术被广泛应用于钢铁冶金、电子化工、航天等领域，可以说在各个工业领域均能看到空气分离设备的身影。在利用空气分离技术或设备时，应根据不同空气分离技术与设备的使用特点与工艺，选取能够高质量满足需求的技术与设备，防止在使用过程中，过度追求新工艺技术，又要保证所选用的空气分离技术与设备具有较高的安全性，以达到节约能耗、降低成本的目的。

关键词：空气分离；技术发展；改进技术；研究

引言

空气分离技术，本质上指利用相关技术，根据多种气体各自不同的物理性质，将混合气中的氧气、氦气以及氮气等气体进行高质量地分离提出。其中，空气分离制氧技术大体上分为四种工艺，分别是吸收、吸附、膜分离以及深冷分离四种类型。近年来煤化工行业发展迅速，拓展了空气分离技术的应用空间，也对于空气分离技术提出了更高的要求，不论是从设备的规格、投资、能耗以及相关运行的效率等，都有了更高的要求标准。

1空气分离工艺简述

1.1低温精馏工艺技术

（1）工艺原理。将空气置于低温条件下，运用深冷技术进行精馏分离的工艺，被称为空气低温精馏技术。实现这一技术的原理，是利用不同气体相转变的不同沸点差异，进行控温精馏、分离。以在工业中运用最多是空气精馏分离氮气与氧气为例，氧气以及氮气各自的沸点有着一定的差别（常压下氧气的沸点为-183.0℃，而氮气的沸点为-195.8℃）。通过让空气完全置于低温但压力相对较高的条件下，可实现气体液化，在此基础上空气当中的氧气与氮气即可进行分离，最终便能够得到氧和氮的最终产物。

（2）工艺流程。采用分子筛吸附空气当中的碳氢化合物，再通过使用板翅式的换热器进行换热处理，使用膨胀机进行制冷处理，在精馏塔中精馏液化的空气，就能够得到氧、氩、氮的最终产物。这样的方式是一种非常典型的低温精馏工艺制作的流程。通常来说，内压缩流程，主要是以液态氧泵为主，也就是使用空气分离装置的冷箱，从中生产高压氧气，并将其传送至需要使用的用户。另外压缩流程，主要是以空气分离设备在进行低压氧气生产的过程中，通过使用氧压机按用户所需要的压力进行加压处理。

（3）工艺特点。这一工艺技术相对来说较为复杂，其中包含了空气压缩、净化、热交换、制冷以及精馏系统，导致操作过程相对难度较高。且这一装置启动费时，以40个小时为启动稳定标准，耗费大量的人力和时间成本，在实际操作中仅能面向连续性的生产作业。这一技术的优点，是其工艺技术的可靠程度较高，产品质量可靠。双塔精馏在长期连续的工作后，能够生产出纯度较高的氮、氧气体类产品，俄日企业纯度甚至能够达到99.99%。因此，这一技术生产的相关产品质量具有非常可靠的稳定性和保障性。

1.2吸附法

煤化工生产领域，基于吸附的空分技术主要分为两种类型；其一是变压吸附法；其二是变温吸附法。实际应用环节，应用变压吸附技术分离空气时，需要以加压状况为变量，在保持温度不变的前提下基于常压或减压分离气体；这一过程中，空气在进入压缩机以后，会经过冷却、干燥、清除杂质、降压吸附再生，从而得到目标气体。从本质上来看，变压吸附法可利用碳分子筛制氮气和氧气，基于二者的扩散速率不同快速分离气体。基于变压吸附技术制氮气以及氧气，不仅可以获得高纯度气体，而且还能降低设备操作与维护复杂性，生产操作具有高效性特征。

结合实践可知，变温吸附技术的原理与变压吸附类似，但在煤化工空分阶段变温吸附技术应用的变量是温度而非加压状况。所谓变温吸附空分，就是压力不变的情况下，利用吸附平衡原理（温度与吸附量成正比、压力与吸附量成反比）基于高温解吸和低温、常温吸附，实现气体分离的技术。实践中，变温吸附的操作流程相对复杂，而且实践中存在能耗过高的情况。在运用变温吸附技术分离空气时，技术应用质效深受吸附物质性能、吸附周期长短、再生温度、吸附剂裂化、吸附床结构等因素的影响，故这种方法在大型煤化工空分中的应用频率并不高。

1.3连锁控制技术

大型煤化工空分技术应用环节，同一空分装置内部机组连锁控制以及不同空分设备之间的相关连锁控制都十分必要，此方面的控制技术研发和优化是当前工作的重点。实践中，大型煤化工空分装置内部机组的连锁控制往往依托于SIS安保连锁系统实现，这种自动化控制系统可保证多技术综合应用，可以为内部连锁停机信号的记录、保存以及分析应用提供支持[1]。若大型煤化工空分设备处于非正常运行状态，那SIS安保联锁停机控制系统将迅速完成自启，并对空压机、增压机以及汽轮机等三大机组进行自动停机，最终实现空分装置的安全停车。实际作业环节，装置中的安保连锁系统可直接接入连锁停机信号并对其进行保存和展现；这一系统独立于DCS系统，可使空分设备的运行负担降低。在不同大型煤化工空分设备的连锁控制方面，技术人员必须明确不同设备、装置之间的关联性，强调解套连环有效性，从而减少故障停机概率。此时，需要重点关注大型煤化工空分设备控制系统参数和组织形式，确认其与压缩机组控制系统是否相同，以便实现针对性连锁控制。

1.4薄膜渗透工艺技术

（1）工艺原理。通常来说，这一技术主要是以扩散理论为原理，采用一种质地非常轻薄的有机膜，当空气中的氧气、氮气通过有机膜时，能够实现通过不同成分的渗透能力的差别，将空气中的氧气以及氮气进行良好的分离。

（2）工艺流程。在完成压缩空气后，就会采用净化系统，将空气中一些有毒、有害的杂质进行分离，并将完成净化的空气输送至膜分离器当中，通过膜分离器装置中两侧的压力差之间的相互影响，分离出被压缩空气中渗透速率较快的氧气，透过薄膜进行渗透，最后将其引出，输送至氧气产品罐中。而氮气的渗透效率相对于氧气来说较慢，往往会停留在膜内部，再通过富集，最终进到氮气产品罐中。

（3）工艺特点。薄膜渗透这一工艺最大的特点，是其操作相较其他几种工艺来说更具简便性，但其能够分离出的氧气富集程度，相较于其他工艺技术更低一些，仅仅能够达到45%左右。因此，这一技术的使用存在着较大的局限性，最大的应用是在需要氧气助燃的工业领域，如大功率工业锅炉运行、废物焚烧以及冶金工业的金属冶炼工艺等。除此之外，还能够用于医疗、水生养殖以及污水的治理中。

2空分装置工艺流程的选择分析

2.1气态产品

如果所需要的最终产品是气态的，那么在选择空分装置的工艺流程时相对困难。在实际的使用情况中，使用分子筛以及分离膜的情况较多。这两种工艺可降低生产成本，也能实现循环生产，但是这些工艺所获得的产品纯度不如低温精馏工艺。如果想获得气态产品，那么其纯度要求较高，选择低压空分低温双塔精馏工艺是最优的。因为采用这种工艺可获得99.99%纯度的成品气体，膜分离工艺、吸附工艺都无法与其相比。

2.2液态产品

如果所需要的最终产品是液态的，那么选择低温精馏工艺也可获得较高纯度的产品。对于要求不太高的，可选择其他方式。空分装置的主要原料是气态的，要实现向液态的转换需要借助低温、高压等外界条件。在非低温状态下，即使能利用分离膜、分子筛进行气体的分离，但是氧气、氮气由于沸点分别为90.17K、77.35K，因此在大气压力下，无法完成向液态的转换。为了最终获得液态产品，一定要做好温度把控、压力把控，综合运用好，另外还要把存储环节做好。

2.3操作方式的工艺要求

小型的空分装置对于吸附法、膜分离法、低温法的工艺都能满足。对于非低温精馏工艺的设备来讲，其启动所需时间不长，负荷调整范围宽，操作起来更为简单、灵活，如果想快速产出产品，那么这种设备非常适合。可是它不具备连续生产的条件。如果使用小型的空分装置，无论是使用哪种工艺，都无法达到连续性较高的产出条件。所以，遇到连续性强的工作要求时，设备启动时间长、操作难度较大的低温精馏工艺更加合适。对于大型的空分装置产品的工艺要求来说，选择全低压空分工艺更适宜，因为它技术成熟，运行起来更为稳定，可靠性更高。产品质量也优于其他工艺，其产品为双高产品，即高质量、高产出。其在质量、数量上都远超小型的空分装置。在化工行业、石油行业中，全低压空分工艺技术应用得尤其广泛。

3空分装置的布置方法

现阶段，大部分空分装置主要由空气压缩机系统、膨胀机、空冷塔、冷箱、分子筛、冰箱、液体存储槽、公用工程房等部分组成，并且各部分之间主要应用管廊相连接，完成空气成分的分离工作。一般情况下，膨胀机与冷箱的布置设计方式主要由供货方给出，由于膨胀机的膨胀端位于冷箱之中，受压缩端连接管道较短的影响，应保证增压膨胀设备的膨胀端与冷箱尽可能贴近，若在设备布置过程中，膨胀设备位于室外，那么需要预先为其搭设防御设施，抵御外界环境对设备的破坏。冷箱是当前空分系统中体积最大的装置，个别项目可能会存在双冷箱的情况，在这种情况下，主冷箱为精馏塔和与之串联的管道。分子筛作为空分系统的重要组成部分，在选择过程中，主要以空分系统的产能为基础，选择卧式或立式的分子筛。

考虑到在实际生产过程中，空分装置生产的产品为乙类产品，其中包含氧气、氮气、液氧、液氮等危险介质，为了避免在产品生产过程中，工作人员出现窒息、冻伤等问题，在空分工作开展前，需要严格按照设计规范完成空分装置布置图的设计工作。在布置图设计过程中，为了降低工作人员被冻伤，可以在布置装置的过程中，将液氧、液氮等成分的储槽放置在同一区域，并用防护栏将这一区域与周边区域分隔开。第二，为了降低设备的维护管理难度，在装置布置过程中，应控制各压缩机之间的距离在2m以上，在避免装置结构设计时出现基础膨胀问题的同时，为维护管理人员预留足够的操作空间。第三，在布置空气过滤器时，需要保证其出口与空气压缩机的进口能够呈现出中心对称的状态。第四，在装置布置过程中，考虑到消声器在工作过程中会产生较大的应力，若将其支架挂在墙上或者抗力较小的框架上，那么消声器掉落的可能性将会有所提高，对此，将其布置在就近管廊框架处，不仅可以提升消音的效果，还能保证消声器以及工作人员的安全。第五，为了避免燃烧、爆炸问题的出现，在氧气管布置过程中，需要保证装置与存在明火的区域之间至少间隔35m，保证空分厂区的安全性。第六，为了保证工作人员的人身安全，在布置控制室与分析室时，需要尽量使其远离危险区域以及振动的设备、管道。

4未来发展与展望

当前，提高制取气体产品质量，提升制取的效率，减少分离过程中的电能、循环水等能耗是学者们研究的重点。随着空分技术的不断创新，特别是新型高效吸附剂及膜分离材料的不断涌现，空气分离技术与工艺将逐步侧重于提升压缩机工作效率、改进冷链物流循环、研发氧氮一体化分离技术与空气净化防护技术、采用新型分子筛等方面。为了确保空分设备的稳定性和安全性，仍需要继续深入探索和设计优化其相关设备。

结语

由于各工业领域对氮气、氧气需求存在着不同差异，因此只有对不同种类的空气分离技术原理与使用特点进行分析，才能帮助我们在满足用户需求的前提下，选择出更加便捷、高效合理的空气分离技术与工艺，进而促进企业不断提高经济效益。

参考文献

[1]衣爽.空气分离技术及发展研究[J].天津化工，2018，32（05）：11-13.

[2]刘大勇.低温空气分离技术的探讨和发展趋势[J].石化技术，2018，25（08）：178+185.

[3]巫小元，崔仁鲜，化国.浅析空气分离方法和工艺流程的选择[J].低温与特气，2016，34（03）：11-15.